-
REGIERUNGSRECHTE
-
Die
Regierung der Vereinigten Staaten hat Rechte an dieser Erfindung
gemäß dem Regierungsvertrag
mit der Nr. DAAE30-97-C-1006.
-
GEBIET DER
ERFINDUNG
-
Die
vorliegende Erfindung betrifft ganz allgemein Geschossträger und
insbesondere Kompositgeschossträger
mit einer vereinfacht zugeschnittenen Kompositarchitektur.
-
HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
-
Im
Wehrmaterialgewerbe werden Träger
für Projektile
verwendet – unter
der Bezeichnung Geschossträger
bekannt – um
die Benutzung verschiedenartiger Munition bei Militäreinsätzen zu
erleichtern.
-
Generell
ist ein Geschossträger
ein Leichtbauträger
für Projektile,
der das Abschießen
von verschiedenen Projektilen kleineren Kalibers in einer größer kalibrigen
Waffe erlaubt. Ein Geschossträger gibt
dabei einem Flugprojektil strukturellen Halt in einem Geschützrohr unter
extrem hohen Belastungen. Ohne entsprechende Unterstützung des
Geschossträgers
könnte
ein Projektil in viele Stücke
zerbrechen, wenn es abgeschossen wird.
-
Ein
Geschossträger
füllt die
Bohrung des Geschützrohres
aus und schließt
das Projektil ein um einheitliches und glattes Abfeuern der Waffe
zu ermöglichen.
Das Projektil ist zentrisch innerhalb des Geschossträgers angeordnet,
der seiner seits generell symmetrisch ausgebildet ist. Nach dem Abschießen verlassen
der Geschossträger
und das Projektil die Bohrung des Geschützrohres und der Geschossträger wird üblicherweise
in einiger Entfernungen von Geschützrohr abgeworfen, während das
Projektil weiter auf das Ziel zufliegt.
-
Ein
Verfahren um einen Geschossträger
abzuwerfen, besteht darin, eine Schaufel am Geschossträger auszubilden.
Nachdem der Geschossträger und
das Projektil die Bohrung der Waffe verlassen haben, fängt die
Schaufel Luftpartikel ein, wenn sie sich nach vorne bewegt. Der
Luftdruck auf die Frontschaufel hebt den Geschossträger vom
Projektil ab und auf diese Weise wird der Geschossträger im Flug vom
Projektil getrennt und erlaubt dem Projektil gegen das Ziel weiter
zu fliegen.
-
Für ein mit
einem Geschossträger
versehenes Wuchtprojektil hoher Rohrmündungsgeschwindigkeit muss
das Zusatzgewicht um das Flugprojektil herum wesentlich minimiert
werden. Teilweise ist dieses Ziel dadurch erreicht worden, dass
man fortschrittliche Leichtbaugraphitepoxidprepregmaterialien für Geschossträger verwendet
hat. Prepreg ist ein Material, das sich durch Imprägnierung
von Faserverstärkungen
mit einem chemischen Harz ergibt. Diese fortschrittlichen Verbundmaterialien
bieten viele Vorteile gegenüber
herkömmlichem
Stahl und Aluminium, da Bauteile, die aus Prepregmaterialien hergestellt
sind, generell stärker,
leichter und steifer sind, als Metalle. Sie gewähren auch größere Resistenz
gegen Ermüdung,
gegen Kriechen, gegen Abnutzung und Korrosion als Metalle. Verbundbauteile, die
aus Prepreg hergestellt sind, haben sehr hohe Festigkeit in Richtung
der Fasern und sehr geringe Festigkeit in anderen Richtungen.
-
Ein
Verbundgeschossträger
ist typischerweise aus Prepregplatten hergestellt, die in verschiedene
Richtungen ausgerichtete Lagen aufweisen. Das Gewicht eines Geschossträgers ist
wesentlich durch seine Steifigkeit und Festigkeit in Axialrichtung
vorgegeben, da der größte Teil
der Last in Axialrichtung wirkt. Hohe Axialfestigkeit und Steifigkeit
werden oft auf Kosten der Steifigkeit in Radialrichtung erzielt.
-
Wenn
bei der Anwendung das Flugprojektil sich durch das nachgiebige Geschützrohr bewegt, erfährt es erhebliche
Seitenbelastungen, die mit dem Fachbegriff "Balloting Loads" bezeichnet wird. Da das Projektil im
Geschützrohr
anschlägt,
wird der vordere Wulst (Zentrierrand) oder die Schaufel des Geschossträgers, entsprechend
seiner Radialsteifigkeit proportionaler Verformung unterworfen.
Da die Schaufel sich bei auftretender Querbelastung verbiegt, biegt
sich auch die Durchschlagspitze und bewegt sich aus der Mittelachse
des Geschützrohres heraus.
Diese Störungen
im Geschützrohr
können
zu einer hohen Giergeschwindigkeit an der Geschützrohrmündung fuhren. Eine hohe Gierrate
wiederum verursacht schwache Treffgenauigkeit bzw. Streubreite.
Es ist bekannt, dass eine steifere Frontschaufel die Genauigkeit
des Geschosses verbessert, indem die Verbiegung der Schaufel reduziert
wird.
-
Aluminiumgeschossträger gewähren akzeptable
Radialsteifigkeit der Frontschaufel. Unglücklicherweise haben Aluminiumgeschossträger jedoch die
anderen Nachteile von Metallen, wie oben angegeben. Umgekehrt haben
bisher bekannte Geschossträger
aus Verbundmaterial, obwohl die Benutzung von Verbundmaterial für Geschossträger viele
Vorteile aufweist, geringe Radialsteifigkeit verglichen mit Aluminiumgeschossträgern. Gewisse
Projektile mit Aluminiumgeschossträgern haben sich als sehr genau
erwiesen. Im Gegensatz dazu, steht ein gleichartiges Projektil mit
herkömmlichem
Kompositgeschossträger
bezüglich
der Genauigkeit eines vergleichbaren Aluminiumgeschossträgers nicht
vorteilhaft da. Es kann angenommen werden, da beide Projektile im Wesentlichen
die gleiche kinetische Durchschlagspitze verwenden, dass die geringere
Radialsteifigkeit des in herkömmlicher
Verbundbauweise ausgeführten
Geschossträgers
zur geringen Genauigkeit des Projektils fuhrt.
-
Darüber hinaus
werden Geschossträger
im Allgemeinen aus drei symmetrischen Segmenten hergestellt, um
eine glatte Abtrennung nach dem Austritt aus dem Geschützrohr zu
erleichtern. Typischerweise erstreckt sich jedes Segment oder Blütenblatt über 120° des Frontumfangs
des noch ganzen Geschossträgers.
Der Gesamtvorteil eines so dreigeteilten Geschossträgers besteht
darin, dass der Geschossträger
schneller freigegeben werden kann, somit Querstörungen des Flugprojektils verringert
werden und dadurch die Genauigkeit erhöht wird.
-
Weiterhin
sind für
optimale technische Leistung und Marktfähigkeit einige andere Ziele
zu betrachten, wenn ein Geschossträger zu entwickeln ist. Zum
Beispiel muss der Geschossträger
leicht herstellbar und kosteneffektiv sein. Darüber hinaus muss der Geschossträger leicht
sein und doch fest und steif. Geschossträger in Verbundbauweise können die
meisten dieser Ziele aufweisen; jedoch sind einige Gesichtspunkte
bezüglich
Steifigkeit und Festigkeit insbesondere die Radialfestigkeit noch
nicht erfüllt.
-
Nach
dem Stand der Technik werden Gewichtsreduzierungen von Verbundgeschossträgern dadurch
erzielt, dass die Prepregfasern in der Axialebene des Geschossträgers ausgerichtet
werden, womit man den größten Belastungen
begegnet, die während
der Bewegung des Projektils durch den Waffenlauf auftreten. Dieses
Verfahren alle Fasern in der gleichen Richtung über den ganzen Geschossträger auszurichten,
um den größten Belastungen
zu begegnen, wird generell als homogene Kompositarchitektur bezeichnet.
-
4 der Zeichnung zeigt ein
Beispiel einer homogenen Kompositarchitektur 400 nach dem Stand
der Technik, entsprechend Alliant Techsystems Inc. für Kompositgeschossträger. In 4 ist die Draufsicht auf
ein homogenes Gelege 410 gezeigt, welches eine homogene
Kompositarchitektur 400 benutzt. Das homogene Gelege 410 umfasst eine
Platte mit einer Vielzahl von homogenen Prepreglagen 412,
die jeweils aufeinander gelegt sind. Weiterhin ist das homogene
Gelege 410 mit einem homogenen Gelegemuster 408 überzogen.
Das homoge ne Gelegemuster 408 ordnet eine Vielzahl von homogenen
Prepregsegmenten 450 innerhalb des homogenen Geleges 410.
-
Jede
homogene Prepreglage 412 hat eine unterschiedliche Faserorientierung,
woraus sich die Faserorientierungen 420 ergeben. Eine erste
homogene Faserorientierung 422 und eine zweite homogene
Faserorientierung 424 sind beide 0° ausgerichtet, bezüglich der
Geschossträgeraxialrichtung 440. Eine
dritte homogene Faserorientierung 426 und eine vierte homogene
Faserorientierung 428 sind bezüglich der Geschossträgeraxialrichtung 440 nicht gleich
ausgerichtet und auch nicht zueinander gleich ausgerichtet.
-
Die
erste homogene Faserorientierung 422 und die zweite homogene
Faserorientierung 424 bilden eine vorherrschende homogene
Faserorientierung 430, da sie in derselben Richtung ausgerichtet sind.
Die vorherrschende homogene Faserorientierung 430 weist
die Richtung auf, in der das homogene Gelege 410 die größte Festigkeit
und Steifigkeit hat. Im vorliegenden Fall fällt die vorherrschende homogene
Faserorientierung 430 mit der Geschossträgeraxialrichtung 440 zusammen.
-
Alle
homogenen Prepregsegmente 450 sind ebenfalls nach der Geschossträgeraxialrichtung 440 ausgerichtet.
Demnach haben alle homogenen Prepregsegmente 450 die höchste Festigkeit
und Steifigkeit in der Geschossträgeraxialrichtung 440.
Als Ergebnis davon, erbringt die homogene Kompositarchitektur 400 einen
Geschossträger
mit hoher axialer Festigkeit und Steifigkeit, jedoch auf Kosten
niedrigerer Radialfestigkeit und Steifigkeit.
-
Die
Verringerung der Radialfestigkeit führt zu geringerer Genauigkeit
und macht dadurch Geschossträger
aus homogener Kompositarchitektur weniger wünschenswert als Aluminiumgeschossträger. Zusätzlich,
wie bereits erwähnt,
kann die unpassende Radialsteifigkeit der Schaufeln des Verbundgeschossträgers zu
höherem
Nebengewicht und niedrigerer Aufschlaggeschwindigkeit führen.
-
Eine
weitere vorbekannte Technik, die als "zugeschnittene Architektur" bezeichnet wird,
versucht das Problem bezüglich
der Homogenität
dadurch zu lösen,
dass jedes Prepregsegment individuell nach der Richtung vorherrschender
homogener Faserorientierung ausgerichtet wird, um jedes Teil des
Geschossträgers
mit der erforderlichen Festigkeit auszustatten. Herkömmliche
zugeschnittene Architektur verwendet dabei ein unterschiedliches
Gelege für
jedes Prepregsegment. Unglücklicherweise wird
bei der Verwendung von Mehrfachgelegen ein großer Anteil von Abfall während der
Herstellung erzeugt, weil nur wenige Segmente aus jedem Gelege geschnitten
werden. Darüber
hinaus wird die Buchführung
für all
die unterschiedlichen Gelegerichtungen und Segmente sehr schnell
sehr schwierig, sobald die Anzahl der Segmente steigt.
-
Wenn
Segmente während
der Herstellung unpassend ausgerichtet werden, kann als Ergebnis ein
strukturelles Versagen des Geschossträgers auftreten. Ein Versagen
des Geschossträgers
kann vielfache Probleme verursachen vom Blockieren der Waffe bis
zu Aussetzern. Darüber
hinaus verbieten die relativ hohen Kosten von fortschrittlichen
Leichtbaugraphitharzmaterialien die Verwendung der Zuschnittarchitektur
nach dem Stand der Technik.
-
Das
US-Patent Nr. 5,789,699 vom 4. August 1998 von Stewart mit dem Titel "Composite Ply Architecture
for Sabots" ist
auf einen Geschossträger mit
einer Längsachse
und einer Mehrzahl von Geschossträgersegmenten gerichtet. Jedes
der Geschossträgersegmente
umfasst eine sich wiederholende Struktur wie folgt: (a) eine Vielzahl
von Lagen eines ersten Fasermaterials, welches bezüglich der Längsachse
radial orientiert ist, wobei jede Faser des ersten Fasermaterials
im Wesentlichen parallel zur Längsachse
ausgerichtet ist; (b) eine Vielzahl von Lagen eines zweiten Fasermaterials,
wobei jede Faser des zweiten Fasermaterials antiparallel zur Längsachse
ausgerichtet ist, und im Wesentlichen parallel zu jeweils den anderen
Fasern des zweiten Fasermaterials.
-
Entgegen
dem Stand der Technik offenbart die vorliegende Erfindung eine vereinfachte
Zuschnittarchitektur für
die Verwendung bei der Herstellung eines Kompositgeschossträgers. Die
einzigartig vereinfachte Architektur, entsprechend der Erfindung,
verwendet homogene Kompositlagenplatten, um die Kosten zu reduzieren
und die Möglichkeit
einer Fehlausrichtung von kritischen Segmenten während der Herstellung der Bausätze zu verringern.
Die vereinfachte Zuschnittarchitektur der Erfindung gewährleistet
hohe Axialfestigkeit und Steifigkeit um axialen Belastungen zu widerstehen
und ergibt gleichzeitig hohe radiale Steifigkeit und Festigkeit
in der Frontschaufel und dem rückwärtigen Wulst
(Zentrierrand) des Geschossträgers.
-
Weiterhin
ist im Gegensatz zum Stand der Technik die erfindungsgemäße vereinfachte
Zuschnittarchitektur gekennzeichnet durch ein Drehen der Prepregsegmente,
die die Frontschaufel und den rückwärtigen Wulst
(Zentrierrand) bilden, in die Richtung der vorherrschenden homogenen
Faserorientierung auf demselben Gelege, welches andere Segmente
einschließt,
die entsprechend hoher axialer Festigkeit ausgerichtet sind. Die
Drehung dieser Segmente beeinträchtigt
dabei nicht den Bausatz – oder
Geschossträgersegmentformvorgang.
Die Orientierung der Fasern in der Frontschaufel ergibt eine bedeutend
steifere Schaufel, welche die Gierrate am Mündungsausgang verbessert.
-
Kompositgeschossträger, die
entsprechend der vorliegenden Erfindung aufgebaut sind, haben eine
hohe Schaufelfestigkeit, so dass der Geschossträger schneller abgetrennt werden
kann. Eine steifere Frontschaufel und ein schnelleres Abtrennen
ergeben einen Kompositgeschossträger
mit einer Genauigkeit, die dem eines Aluminiumgeschossträgers angenähert ist,
aber ohne die Nachteile bei der Verwendung von Aluminium. Auf diese
Weise erhält
die vereinfachte Zuschnittarchitektur entsprechend der Erfindung
die Vorteile der Verbundmaterialien ohne den Herstellungsprozess
oder die Kosten des Geschossträgers
andererseits zu beeinträchtigen.
-
ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
-
Die
Erfindung schafft eine vereinfachte zugeschnittene Kompositarchitektur
zum Verwenden in der Herstellung eines Kompositgeschossträgers, wonach
der Kompositgeschossträger
aus einer Mehrzahl von Keilsätzen
hergestellt ist. Der sich ergebende Kompositgeschossträger hat
eine Frontschaufel, die zumindest eine vorherrschende Schaufelfaserrichtung
aufweist. Die vereinfacht zugeschnittene Kompositarchitektur umfasst
eine Platte, die so angepasst ist, dass sie in einen Keilsatz geformt
wird. Die Platte hat eine Mehrzahl von Lagen von Prepregmaterialien,
welche in einer Mehrzahl verschiedener Richtungen ausgerichtet sind,
wobei eine Mehrzahl der verschiedenen Richtungen eine Richtung einer dominierenden
homogenen Faserorientierung einschließt. Ein Muster innerhalb der
Platte schließt
ausgewählte
Prepregsegmente ein, die derart gedreht sind, dass die Richtung
der dominant homogenen Faserorientierung in dem ausgewählten Prepregsegmenten
ausgerichtet ist, um im Wesentlichen parallel zur zumindest einen
dominierenden Schaufelfaserorientierung ausgerichtet zu sein, wenn
die Platte nachfolgend in einen Keilsatz geformt ist.
-
In
weiterer Ausgestaltung lehrt die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung
eines Kompositgeschossträgers
aus einer vereinfachten Zuschnittarchitektur. Der Geschossträger umfasst
einen Geschossträgerkörper, welcher
integral mit einer Frontschaufel und einem rückwärtigen Wulstsegment (= Zentrierrandsegment)
verbunden ist, wobei die Frontschaufel sich vom Geschossträgerkörper aus
in einem vorbestimmten Winkel erstreckt. Der Geschossträgerkörper und
beide Schaufeln sind in drei blütenblattartige
Segmente unterteilt, wobei die Blütenblattsegmente einen Querschnitt
aufweisen, der einen vorbestimmten Bogen überspannt in einem Beispiel
einen 120°-Querschnitt
und wobei die blütenblattartigen
Geschossträgersegmente
um eine Aufschlagspitze herum angeordnet sind. Eine Mehrzahl von
radialgeformten Keilsätzen
bildet jedes blütenblattartige
Segment und formt so den gewünschten
Querschnitt. Jeder Keilsatz wiederum wird von einer Vielzahl von
geformten Prepregsegmenten gebildet. Prepregsegmente für zwei Keilsätze werden
aus einem einzigen Gelege herausgeschnitten, welches aus Prepregmaterial
besteht, wobei das Gelege eine vorherrschende homogene Faserorientierung
aufweist. Die vereinfachte Zuschnittarchitektur des Gelegemusters
richtet die Segmente des Geschosskörpers so aus, dass sie der
Orientierung der vorherrschenden Faserrichtung entsprechen und dreht
das rückwärtige Wulstsegment
und die Schaufelsegmente oder beide um einen vorherbestimmten Winkel
bezüglich
der vorherrschenden Faserrichtung parallel zu der Radialbelastung
der Schaufeln. Eine Vielzahl von Schweißpunkten werden verwendet um
die Prepregsegmente zusammenzuschweißen bevor die Segmente aus
dem Gelege ausgeschnitten werden, um die Handhabung der Prepregsegmente
zu erleichtern. Eine Vielzahl von rechteckigen Indexierpunkten und
eine Vielzahl von dreieckigen Indexierpunkten markieren die Prepregsegmente,
um die richtige Zusammenfügung
der Prepregsegmente in Keilsätze
zu erleichtern.
-
Weitere
Ziele, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben
sich für
den Fachmann aus der Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform,
wobei gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente in den Ansprüchen und
Zeichnungen markieren.
-
KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
-
1 zeigt eine dreidimensionale
perspektivische Ansicht eines Projektils mit einem Kompositgeschossträger gemäß der Erfindung.
-
2A ist eine Vorderansicht
des Kompositgeschossträgers
der Erfindung entsprechend der Linie 2A-2A aus der 1.
-
2B ist eine detaillierte
Frontansicht eines Blütenblattsegments
des Geschossträgers
gemäß der Erfindung.
-
3A ist eine detaillierte
Frontansicht eines Keilsatzes gemäß der Erfindung.
-
3B ist eine Explosionsdarstellung
einer Seitenansicht eines Keilsatzes gemäß der Erfindung.
-
4 ist eine Draufsicht auf
eine homogene Kompositarchitektur gemäß dem Stand der Technik.
-
5 ist eine Draufsicht auf
eine vereinfachte Zuschnittkompositarchitektur gemäß der Erfindung.
-
6 ist ein Teilquerschnitt
in Seitenansicht eines Kompositgeschossträgers, der ein Beispiel einer
vereinfacht zugeschnittenen Kompositarchitektur gemäß der Erfindung
verwendet.
-
DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
-
In 1 ist eine dreidimensionale
perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Kompositgeschossträgers 10 dargestellt.
Der Kompositgeschossträger 10 umfasst
einen Geschossträgerkörper 20,
eine Frontschaufel 30 und einen rückwärtigen Wulst (Zentrierrand) 40.
Der Geschossträgerkörper 10 ist
in Axialrichtung entlang drei Schnitten 24 in drei Blütenblattsegmente 22 aufgeteilt.
Die Blütenblattsegmente 22 sind
radial um eine Durchschlagspitze 50 herum und um die Geschossträgerkörperaxialrichtung 60 herum
angeordnet. In 2A ist
eine Frontansicht des erfindungsgemäßen Kompositgeschossträgers 10 dargestellt,
wie sie durch die Linien 2A-2A in 1 aufgezeigt
ist. Diese Ansicht zeigt wie die Frontschaufel 30 entlang
der drei zentrischen Schnitte 24 in die drei Blütenblattsegmente 22 aufgeteilt
ist.
-
Jedes
Blütenblattsegment 22 hat
einen vorgegebenen Bogenwinkel 200. Bei einer praktischen Ausführungsform
beträgt
der vorgegebene Bogenwinkel 200 etwa 120°. Vollkommen
zusammengefügt umgeben
die drei 120°-Blütenblattsegmente 22 die Durchschlagspitze 50 und
bilden so den ganzen 360°-Querschnitt
des Kompositgeschossträgers 10. Es
sei an dieser Stelle angemerkt, dass Wertangaben bezüglich der
verschiedenen Merkmale der Erfindung nur beispielsweise gelten und
die Erfindung nicht entsprechend einschränken.
-
2B stellt eine detaillierte
Frontansicht eines Blütenblattsegmentes
(nachfolgend auch als Blütenblatt 22 bezeichnet)
nach der vorliegenden Erfindung dar. In diesem Ausführungsbeispiel
weist das Blütenblatt 22 einen
Bogenwinkel 200 von 120° auf, der
sich von einem zentrischen Schnitt 24 zu einem weiteren
Schnitt 24 erstreckt. Die Frontschaufel 30 ist nominell
radial durch eine Mehrzahl von Keilsätzen 210 geteilt,
die radial aneinander um die Durchschlagspitze 50 herum
angeordnet sind und das Blütenblatt 22 bilden.
-
Darüber hinaus
erstrecken sich die Keilsätze 210 über die
gesamte axiale Länge
des Blütenblattes 22.
Wie in diesem Ausführungsbeispiel
gezeigt, erstreckt sich jeder Keilsatz 210 über einen
Bogen von 5° und
jedes Blütenblatt 22 über einen
Bogen von 120°,
so dass annähernd 24 Keilsätze 210 notwendig sind,
um ein Blütenblatt 22 zu
bilden. Für
den Fachmann ist erkennbar, dass die Keilsätze und die Blütenblätter sich
jeweils über
unterschiedliche Bogenlängen
erstrecken können
und nicht auf die Bogenlänge
des hier beschriebenen Ausführungsbeispiels begrenzt
sind.
-
In 3A ist eine detaillierte
Frontansicht eines Keilsatzes 210 nach der vorliegenden
Erfindung dargestellt. Der Keilsatz 210 umfasst eine Mehrzahl von
Prepregsegmenten 300, wobei die Prepregsegmente 300 aufeinander
gestapelt sind, um den Keilsatz 210 zu bilden.
-
In 3B ist eine auseinandergezogene Seitenansicht
(Explosionsdarstellung) eines Keilsatzes 210 nach der vorliegenden
Erfindung gezeigt. Der Keilsatz 210 ist aus Prepregsegmenten 300 aufgebaut,
wobei die Prepregsegmente 300 jeweils eine Mehrzahl von
Körpersegmenten 310,
eine Mehrzahl von vorderen Schaufelsegmenten 330 und eine Mehrzahl
von rückwärtigen Wulstsegmenten 320 umfassen.
Der Keilsatz 210 erstreckt sich über die Länge des Kompositgeschossträgers 10 (wie
in 1 gezeigt).
-
Der
Keilsatz 210 hat ein Vorderende 340, einen Mittelabschnitt 342 und
ein Rückende 344,
wobei das Vorderende 340 der Vorderseite des Kompositgeschossträgers 10 entspricht.
Die Körpersegmente 310 erstrecken
sich vom Vorderende 340 zum Rückende 344 und bilden
einen Körperteil 350 und
Teile jeweils eines Frontschaufelabschnitts 352 und eines rückwärtigen Wulstabschnitts 354.
-
Die
Frontschaufelsegmente 330 sind zwischen dem Vorderende 340 und
dem Mittelabschnitt 342 angeordnet und bilden den Frontschaufelabschnitt 352 des
Keilsatzes 210. Die rückwärtigen Wulstsegmente 320 sind
nahe dem Mittelabschnitt 342 angeordnet und bilden den
rückwärtigen Wulstabschnitt 354 des
Keilsatzes 210.
-
Im
Folgenden wird auf 5 eingegangenen,
die eine Draufsicht auf ein Gelege 510 zeigt, in dem eine
vereinfacht zugeschnittene Kompositarchitektur 500 entsprechend
der vorliegenden Erfindung benutzt wird. Die vereinfacht zugeschnittene
Kompositarchitektur 500 hat ein Gelege 510, welches
eine Mehrzahl von Prepreglagen 512 umfasst. Die Prepreglagen 512 sind
aufeinander geschichtet und mit einer Mehrzahl von kreisförmigen Schweißpunkten 570,
einer Mehrzahl von rechteckigen Schweißpunkten 571 einer
Mehrzahl von dreieckigen Indexierpunkten 572 und einer
Mehrzahl von quadratischen Indexierpunkten 574 zusammengeschweißt. Darüber hinaus
ist das Gelege 510 mit einem Gelegemuster 508 überzogen,
wobei das Gelegemuster 508 die Prepregsegmente 300 in
dem Gelege 510 vorteilhaft anordnet. Der Fachmann erkennt,
dass die Formen der Indexschweißpunkte
nicht auf die gezeigten Ausführungsbeispiele
beschränkt
sind, sondern dass sie nach Form, Muster, Anzahl, Bezeichnung oder
Benennung frei gewählt
werden.
-
In
dem gezeigten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung hat das Gelege 510 eine Mehrzahl
von Prepreglagen 512 mit einer Mehrzahl von entsprechenden
Faserrichtungen 520. In einer praktischen Ausführungsform
werden vier Lagen mit vier Faserrichtungen benutzt. Eine erste Faserorientierung 522 und
eine zweite Faserorientierung 524 sind beide mit 0° bezüglich der
Geschossträgeraxialrichtung 60 ausgerichtet.
Eine dritte Faserorientierung 526 und eine vierte Faserorientierung 528 sind mit
der Geschossträgeraxialrichtung 60 nicht
gleich gerichtet und auch untereinander nicht gleichgerichtet. Der
Fachmann erkennt, dass die Erfindung nicht auf das vorbeschriebene
Ausführungsbeispiel
beschränkt
ist, sondern jede nützliche
Zahl von Faserorientierungen und Lagen angewendet werden kann.
-
Die
erste Faserorientierung 522 und die zweite Faserorientierung 524 bilden
zusammen eine vorherrschende homogene Faserorientierung 530, weil
sie in derselben Richtung ausgerichtet sind. Die vorherrschende
homogene Faserorientierung 530 stellt die Richtung dar,
in der das Gelege 510 die größte Festigkeit und Steifigkeit
hat. In dem vorliegenden Fall ist die vorherrschende homogene Faserorientierung 530 entlang
der Geschossträgeraxialrichtung 60 ausgerichtet.
-
Die
Körpersegmente 310 und
die rückwärtigen Wulstsegmente 320 sind
ebenfalls mit der Geschossträgeraxialrichtung 60 gleichgerichtet.
-
Daher
haben die Körpersegmente 310 und die
rückwärtigen Wulstsegmente 320 die
größte Festigkeit
in Geschossträgeraxialrichtung 60.
Als Ergebnis schafft die vereinfacht zugeschnittene Kompositarchitektur 500 in
vorteilhafter Weise für
den Kompositgeschossträger 10 (wie
in 6 gezeigt) axiale Festigkeit
und Steifigkeit in Richtung des Geschossträgerkörpers 20 (wie in 6 gezeigt), wo axiale Festigkeit
und Steifigkeit am meisten gefordert sind.
-
Jedoch
werden die Frontschaufelsegmente 330 vor dem Ausschneiden
aus dem Gelege 510 nicht in die Geschossträgeraxialrichtung 60 ausgerichtet.
Stattdessen werden die Frontschaufelsegmente 330 in eine
Frontschaufelrichtung 560 ausgerichtet, wobei die Frontschaufelrichtung 560 vorteilhafterweise
um einen ersten Drehwinkel 564 (5) gegenüber der Geschossträgeraxialrichtung 60 gedreht
ist. Obwohl der erste Drehwinkel 564 in einem weiten Winkelbereich
variiert werden kann, ist in dem Ausführungsbeispiel der vorliegenden
Erfindung der erste Drehwinkel 564 60° um die Frontschaufel 20 zu verstärken. Im
Allgemeinen können
der erste Drehwinkel 564 und ein zweiter Drehwinkel 566 frei
gewählte
Winkel sein und sie können
je nach Anwendung voneinander unterschiedlich sein.
-
Bevor
sie aus dem Gelege 510 ausgeschnitten werden, haben die
Frontschaufelsegmente 330 eine dominierende Schaufelfaserorientierung 562, die
gegenüber
der Frontschaufelrichtung 560 um einen zweiten Drehwinkel 566 geneigt
ist und die sich parallel zur Geschossträgeraxialrichtung 60 erstreckt.
Es sei darauf hingewiesen, dass in dem gezeigten Ausführungsbeispiel
zwei gleiche Frontschaufelsegmente 330 entlang einer Schnittlinie 563 aneinander
stoßen.
Das erfolgt, um den Abfall beim Schneiden zu verringern. Andere
Segmente werden in gleicher Weise ausgelegt. Da die Frontschaufelrichtung 560 die
parallelen Linien der dominierenden Schaufelfaserorientierung 562 und
der Geschossträgeraxialrichtung 60 schneidet,
ist der zweite Drehwinkel 566 gleich dem ersten Drehwinkel 564,
oder, im gezeigten Ausführungsbeispiel
der Erfindung 60°.
-
In 6 ist ein Teilschnitt des
Kompositgeschossträgers 10 mit
der vereinfachten Architektur 500 gemäß der Erfindung gezeigt. 6 zeigt das Frontschaufelsegment 330 und
das Körpersegment 310,
nachdem sie aus dem Gelege 510 ausgeschnitten wurden und
zum Kompositgeschossträger 10 zusammengefügt sind.
Das Frontschaufelsegment 330 wird gegossen, zu einer Schaufelform
verarbeitet und nach dem Ausschneiden aus dem Gelege 510 so gedreht,
dass die Frontschaufelrichtung 560 parallel zur Geschossträgeraxialrichtung 60 liegt.
-
Die
Frontschaufel 30 erstreckt sich in einem Frontschaufelwinkel 672 gegen
die Geschossträgeraxialrichtung 60.
Im Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung beträgt
der Frontschaufelwinkel 672 etwa 60°, kann aber jeden geeigneten
Wert zur Formung einer Frontschaufel aufweisen. Zum Beispiel kann
der Frontschaufelwinkel 672 ein Winkel im Bereich von 90° bis 45° bezüglich der
Achse des Geschossträgerkörpers 20 sein.
Im gezeigten Ausführungsbeispiel
liegt die Frontschaufelradialrichtung 680 quer zur Frontschaufelrichtung 560.
Die dominierende Schaufelfaserorientierung 562 erstreckt
sich in etwa 60° gegenüber der
Frontschaufelrichtung 560.
-
Da
Festigkeit und Steifigkeit in Richtung der vorherrschenden Schaufelfaserorientierung 562 gegeben
sind, gibt die vereinfacht zugeschnittene Kompositarchitektur 500 vorteilhafterweise
der Frontschaufel 30 radiale Festigkeit und Steifigkeit
entlang der Frontschaufelradialrichtung 680 in einem vorgegebenen
Winkel, der gewählt
ist, um die Radialfestigkeit zu erhöhen. Die vorherrschende Schaufelfaserorientierung
kann jede sein, die die Radialfestigkeit erhöht. Zum Beispiel kann die vorherrschende
Schaufelfaserorientierung 562 ein Winkel im Bereich von 90° bis 45° gegenüber dem
Geschossträgerkörper 20 sein.
Die Frontschaufel 30 hat dabei eine vorherrschende Schaufelfaserorientierung 562,
um Radialkräfte
aufzunehmen, die gegen die Frontschaufel 30 gerichtet sind.
Gleichzeitig hat der Geschossträgerkörper 20 die
Richtung der vorherrschenden homogenen Faserorientierung 530,
um Axialkräfte
entlang der Geschossträgeraxialrichtung 60 aufzunehmen.
-
Wieder
mit Bezug auf 5, hat
das Gelege 510 ein Schichtungsmuster 508, welches
vorteilhafterweise Prepregsegmente 300 so anordnet, dass zwei
im Wesentlichen identische Keilsätze 210 (in 3A gezeigt) aus den Prepregsegmenten 300 zusammengefügt werden
können.
Auf diese Weise werden Prepregsegmente 300 in eine Mehrzahl
von linken Prepregsegmenten 580 und eine Mehrzahl von rechten
Prepregsegmenten 582 aufgeteilt. Die linken Prepregsegmente 580 sind
mit quadratischen Indexierpunkten 574 markiert, aber nicht
mit dreieckigen Indexierpunkten 572 und die rechten Prepregsegmente 582 sind
mit dreieckigen Indexierpunkten 572 markiert, aber nicht
mit quadratischen Indexierpunkten 574. Nachdem sie aus
dem Gelege 510 ausgeschnitten sind, werden die Prepregsegmente 300 in
linke Prepregsegmente 580 und rechte Prepregsegmente 582 getrennt,
je nach dem, ob die Prepregsegmente 300 quadratische Indexierpunkte 574 oder dreieckige
Indexierpunkte 572 aufweisen.
-
Zusätzlich,
wie oben gesagt, werden die Prepregsegmente 300 an kreisförmigen Schweißpunkten 570,
an rechteckigen Schweißpunkten 571,
dreieckigen Indexierpunkten 572 und quadratischen Indexierpunkten 574 zusammengeschweißt, um zu vermeiden,
dass die Prepregsegmente 300, nachdem sie vom Gelege 510 weggenommen
wurden, falsch gehandhabt werden.
-
Die
vereinfacht zugeschnittene Kompositarchitektur der Erfindung kann
vorteilhafterweise für
ein Verfahren zur Herstellung eines Kompositgeschossträgerkeilsatzes
eingesetzt werden. Ein erster Schritt des Verfahrens umfasst das
Bemustern einer Platte, die so angepasst ist, dass sie in einen
Keilsatz mit einem Muster geformt werden kann, wobei die Platte eine
Mehrzahl von Lagen von Prepregmaterial aufweist, welches in einer
Mehrzahl von verschiedenen Richtungen orientiert ist, wobei eine
der Richtungen diejenige der dominierenden homogenen Faserorientierung
einschließt.
Ein weiterer Schritt beinhaltet das Drehen einer Mehrzahl von vorbestimmten
Prepregsegmenten innerhalb der gemusterten Platte der Art, dass
die Richtung der dominierenden homogenen Faserorientierung in der
ausgewählten
Mehrzahl von Prepregsegmenten so ausgerichtet ist, dass sie im Wesentlichen
parallel zu der mindestens einen dominierenden Schaufelfaserorientierung
liegt, wenn die Platte nachfolgend in einen Keilsatz geformt ist. Ein
weiterer Schritt beinhaltet das Ausschneiden einer Mehrzahl von
Keilsatzsegmenten aus der gemusterten Platte. Wenigstens ein Keilsatz
wird dann aus der Mehrzahl von Keilsatzsegmenten geformt.
-
Bei
einem Ausführungsbeispiel
umfasst der Schritt des Bemusterns einer Platte, die angepasst ist,
in einen Keilsatz geformt zu werden, weiterhin die Schritte, die
Platte mit einem Schichtungsmuster zu versehen und das Schichtungsmuster
in eine Mehrzahl von Körpersegmenten,
eine Mehrzahl von rückwärtigen Wulstsegmenten
und eine Mehrzahl von Frontschaufelsegmenten zu segmentieren.
-
Bei
einem weiteren Ausführungsbeispiel
umfasst der Schritt des Bemusterns den Schritt des Drehens der Frontschaufelsegmente
bezüglich
der Richtung einer dominierenden homogenen Faserorientierung.
-
Bei
einer bevorzugten Ausführungsform
umfasst der Schritt des Bemusterns den Schritt des Drehens der Frontschaufelsegmente
um einen vorbestimmten Winkel bezüglich der Richtung der dominierenden
homogenen Faserorientierung.
-
Bei
einem weiteren Ausführungsbeispiel
umfasst der Schritt des Bemusterns den Schritt des Drehens der rückwärtigen Wulstsegmente
bezüglich
der Richtung der dominierenden homogenen Faserorientierung.
-
Bei
einem weiteren Ausführungsbeispiel
umfasst der Schritt des Bemusterns den Schritt des Drehens der Frontschaufelsegmente
und der rückwärtigen Wulstsegmente
bezüglich
der Richtung der dominierenden homogenen Faserorientierung.
-
In
einem weiteren Ausführungsbeispiel
umfasst der Schritt des Bemusterns vorteilhafterweise folgende Einzelschritte:
- a) Markieren einer Mehrzahl von kreisförmigen Schweißpunkten
auf der Platte, um die Prepregsegmente zu fixieren, nachdem sie
vom Gelege geschnitten wurden;
- b) Markieren einer Mehrzahl von rechteckigen Schweißpunkten
auf der Platte, um die Prepregsegmente zu fixieren, nachdem sie
vom Gelege geschnitten wurden;
- c) Markieren einer Mehrzahl von dreieckigen Indexierpunkten
auf der Platte zum Identifizieren von rechten Prepregsegmenten;
und
- d) Markieren einer Mehrzahl von quadratischen Indexierpunkten
auf der Platte zum Identifizieren von linken Prepregsegmenten.
-
Die
Erfindung ist hier weitgehend im Detail beschrieben worden, um den
Anforderungen eines Patents gerecht zu werden und um den Fachmann mit
den Informationen zu versehen, die gebraucht werden, um die neuen
Prinzipien der vorliegenden Erfindung anzuwenden und die beispielhaft
und speziell beschriebenen Komponenten den Anforderungen entsprechend
zu benutzen. Jedoch versteht es sich, dass die Erfindung auch mit
unterschiedlicher Ausstattung und Einrichtungen ausgeführt werden kann
und dass verschiedene Ausführungsformen, sowohl
was die Ausstattungseinzelheiten, als auch das Verfahren anlangen,
ausgeführt
werden können ohne
den wahren Geist und den Schutzumfang der vorliegenden Erfindung
zu verlassen.
-
Insbesondere
kann das Gelegemuster 508 für eine vereinfacht zugeschnittene
Kompositarchitektur 500 gemäß der vorliegenden Erfindung
eine große
Vielfalt von anderen Mustern neben dem Gelegemuster 508 aufweisen.
Die vereinfacht zugeschnittene Kompositarchitektur 500 kann
entweder Frontschaufelsegmente 330, rückwärtige Wulstsegmente 320 oder
jede beliebige Kombination davon in gedrehter Weise auf dem Gelege 510 aufweisen,
um der beabsichtigen Funktion zu dienen und dem Herstellungsverfahren
Rechnung zu tragen, um die hier aufgezeigte integrale Struktur zu
erreichen.
-
Weiterhin
können
Materialien für
das Gelege 510 aus einem weiten Bogen von Materialien gewählt werden,
um dem beabsichtigen Zweck zu dienen. Das Material kann aus einem
weiten Bereich von Faser oder Kompositmaterialien oder Epoxydharzsystemen,
einschließlich
Kohlenstoff, Glas oder gleichwertigen Materialien ausgewählt sein,
um der beabsichtigten Funktion zu dienen und dem Herstellungsverfahren
Rechnung zu tragen und so die hier aufgezeigte integrale Struktur
zu erreichen. Das Gelege 510 kann eine beliebige Zahl von
Prepreglagen 512 aufweisen, kann auch eine beliebige Zahl
von Faserorientierungen 520 oder eine beliebige Zahl von
Prepregsegmenten 300 haben.
-
Zum
Beispiel können
Materialien für
das Gelege 510 durchlaufende Faserepoxydharzsysteme, wärmeaushärtende Faserepoxydharzsysteme,
thermoplastische Faserepoxydharzsysteme, durchlaufende wärmeaushärtende Faserepoxydharzsysteme, durchlaufende
thermoplastische Faserepoxydharzsysteme, thermoplastische Faserharzsysteme, durchlaufende
wärmeaushärtende Faserharzsysteme
und durchlaufende thermoplastische Faserharzsysteme sein.
-
Weiterhin
können
der erste Drehwinkel 564, der zweite Drehwinkel 566 und
der Frontschaufelwinkel 672 viele mögliche Konfigurationen aufweisen, um
der beabsichtigen Funktion zu dienen und dem Herstellungsverfahren
Rechnung zu tragen, um die hier aufgezeigte integrale Struktur zu
erreichen.