-
Auf Zug vorgespannte Schale Die üblichen Rümpfe von Großflugzeugen
zeigen zur Versteifung der Außenhaut gegen Druck- und Schubspannungen etwa 5o bis
Ioo Längsstringer, die in einem Abstand von etwa 5oo mm durch Spante gestützt sind.
-
Bekannt ist auch der Aufbau von Rümpfen aus abgekanteten Längsbahnen,
deren Außenkante dadurch Zugvorspannungen bekommt, daß die Längsbahnen über die
ballige Rumpfform gebogen wurden. Obgleich die Zugvorspannung nur ganz gering bleibt,
wurden trotzdem Gewicht und Versteifungsstringer eingespart.
-
Durch die Erfindung sollen folgende Verbesserungen erzielt werden:
Fortfall der sehr vielen Längsstringer, die durch wenige Druckstäbe ersetzt werden;
Vergrößerung des Spantabstandes (etwa halbe Anzahl); erhebliche fertigungsmäßige
Einsparungen durch den Fortfall vieler Einzelteile, insbesondere von Verbindungselementen
(Nieten oder Schweißpunkten oder Klebnähten) zwischen der Außenhaut und den Stringern
und Spanten; Einsparungen an Gewicht, da die Außenhaut keine Druckspannungen erhält
und die Größe der Zugvorspannungen sowohl in Längsrichtung als auch um den Umfang
so verteilt werden kann, wie es die auftretenden Belastungen erforderlich machen;
günstigere Ermüdungsfestigkeit, da die Außenhaut keine Wechselbeanspruchungen erhält.
Erfindungsgemäß
erfolgt die Zugvorspannung der Außenhaut durch einige um den Umfang verteilte Druckstäbe,
wobei die Verbindung der Druckstäbe mit der Außenhaut vorgenommen wird: vorn und
hinten, über die ganze Länge oder abschnittsweise mit veränderlicher Vorspannung,
und die Vorspannkräfte und Querschnitte über die Länge bzw. über den Umfang verschieden
groß sein können.
-
Erfindungsgemäß können die Stringer zur Aussteifung der Außenhaut
a (Fig. I und 2) fortfallen und der Spantabstand stark vergrößert werden, da die
Außenhaut a durch die Druckstäbe b, die in Spanten c geführt sind, auf Zug so stark
vorgespannt wird, daß die Druckspannungen aus den Betriebslasten auf die Außenhaut
a kleiner sind als deren Zugvorspannung, so daß also keine Druckspannungen in der
Außenhaut a entstehen und damit auch eine entsprechende Abstützung entfällt. Nach
den Gesetzen der Schalenrechnung kann auch eine auf Zug vorgespannte Schale gewisse
Schubkräfte aufnehmen, ohne zu beulen. Auch nach dem elastischen Ausbeulen ist die
Außenhaut sehr wohl in der Lage, noch größere Schubbeanspruchungen aufzunehmen als
sogenannte Zugfeldträger.
-
Die Aufbringung der Vorspannung kann auf verschiedene Weise erfolgen.
-
I. Die Druckstäbe b (Fig. 3) sind längs verschieblich in den Spanten
c gelagert und werden durch einen Zuganker d oder über eine Vorrichtung hydraulisch
auf einen entsprechend großen Druck vorgespannt. In diesem Zustand werden die Druckstäbe
b innerhalb der beiden äußeren Spantfelder mit der Außenhaut a verbunden. Nach Entfernung
des Zugankers d oder der hydraulischen Vorspanneinrichtung wird die Druckvorspannung
im Druckstab b etwas zurückgehen und entsprechend die Außenhaut a auf Zug vorgespannt
werden. Zur Einleitung der Zugvorspannkräfte in die Außenhaut sind eventuell die
beiden äußeren Spant. felder durch ein Wellblech, Sickenblech oder Profile zusätzlich
zu versteifen.
-
Die Zugvorspannung der Außenhaut ist hierbei über die Länge konstant.
Im Betrieb auftretende Biegebeanspruchungen verkleinern auf der Druckseite die Zugvorspannung
der Außenhaut und vergrößern sie auf der Zugseite. Es treten somit keine Wechselbeanspruchungen
auf, was sich auch auf die Dauerfestigkeit günstig auswirkt.
-
Die Spannungsermittlung kann auf graphischem Wege erfolgen.
-
II. Sind die Vorspannstäbe nur vorn und hinten mit der Außenhaut verbunden,
so können eventuell im Betrieb erhebliche Temperaturunterschiede zwischen beiden
Teilen auftreten und damit eine unerwünschte Änderung des Vorspannzustandes. Werden
die Druckstäbe b (Fig. 4) über die ganze Länge mit der Außenhaut a (Fig. 4) verbunden,
so können im Betrieb keine nennenswerten Temperaturunterschiede auftreten.
-
Aufbringung der Vorspannung genau wie unter I. Die Zugvorspannung
der Außenhaut a (Fig. 4) ist hierbei ebenfalls annähernd konstant über die Länge,
da die Übertragung der Vorspannkräfte von den Druckstäben b (Fig. 4) auf die Außenhaut
aus Verformungsgründen ebenfalls hauptsächlich in den beiden äußeren Spantfeldern
erfolgt.
-
Im Betrieb auftretende Biegebeanspruchungen überlagern sich einfach
an jeder Stelle mit den Vorspannungsbeanspruchungen, sind also einfach rechnerisch
zu ermitteln.
-
III. Da die Beanspruchungen z. B. bei einem Flugzeugrumpf in der Mitte
am größten sind und nach den Enden bis auf Null abfallen, ist oft eine zur Mitte
ansteigende Vorspannung zweckmäßig.
-
Der Vorgang ist grundsätzlich derselbe wie bei II, jedoch erfolgt
mit der größten Vorspannung die Vernietung zwischen den Druckstäben b (Fig. 5) und
der Außenhaut a nur im mittleren Teil. Dann wird über den Zuganker d oder über eine
hydraulische Vorrichtung die Vorspannung etwas kleiner eingestellt und ein weiterer
Bereich zwischen Druckstab und Außenhaut verbunden. Dies wird fortgesetzt, bis über
die ganze Länge die Verbindung hergestellt ist.
-
Auf diese Weise kann eine beliebige, über die Länge veränderliche
Vorspannung eingestellt werden. Hierbei können auch die unter I aufgeführten Hautverstärkungen
innerhalb der beiden äußeren Spantfelder fortfallen.
-
IV. Um bei gegebenem Material die Vorspannkräfte zu erhöhen, muß der
Querschnitt der Druckstäbe vergrößert werden. Damit erhöht sich auch das Gewicht.
Bei einem im Betrieb stark veränderlichen Momentenverlauf (Beanspruchung der Rumpfmitte
am größten und nach beiden Enden etwa auf Null abfallend) ist es deshalb aus Gewichts-
und Festigkeitsgründen vorteilhaft, den Querschnitt der Druckstäbe über die Rumpflänge
veränderlich zu wählen. Das kann entweder durch einige zusätzliche Druckstäbe erfolgen,
die nur im Bereich der größten Biegemomente angeordnet sind, oder durch eine sprunghafte
Verstärkung des Querschnitts der vorhandenen Druckstäbe in diesem Bereich. Eine
solche sprunghafte Querschnittsverstärkung des kreisförmigen Druckstabes b (Fig.
6) im Bereich des größten Moments erfolgt zweckmäßig durch ein etwas dünneres Rohr
e, welches in den Druckstab hineingeschoben werden kann.
-
Die Verbindung des Einschubrohres e mit dem Druckstab b kann dabei
im nicht vorgespannten Zustand vor dem Einbau erfolgen. Die Aufbringung der Vorspannkraft
erfolgt wie bei I, nur mit dem Unterschied, daß die durch Zuganker d oder über eine
Vorrichtung hydraulisch aufgebrachte Kraft nicht nur auf den Druckstab b wirkt,
sondern auch gleichermaßen über die Abstandrohre f auf das Einschubrohr e. Die Abstandrohre
f müssen denselben Querschnitt wie das Einschubrohr haben und aus demselben Material
wie das Einschubrohr bzw. aus einem Material mit gleichem Elastizitätsmodul bestehen.
In diesem Fall wird im Druckstab b und im Einschubrohr e eine gleich große Vorspannung
erreicht.
-
Außerdem kann man auch genau wie bei III nach Wunsch eine weitere
Veränderung der Vorspannung über die Länge erreichen.
Die Abstandrohre
f werden genau wie der Zuganker d nach erfolgtem Zusammenbau entfernt.
-
Die Betriebsbeanspruchungen bei einem Bauteil, z. B. einem Flugzeugrumpf,
sind nicht nur über die Länge verschieden groß, sondern auch über den Umfang. So
treten an der Unterseite die weitaus größten Druckbeanspruchungen auf. Es ist deshalb
zweckmäßig, hier entsprechend größere Querschnitte für die Druckstäbe b (Fig. 2)
zu wählen und damit die Größe der Zugvorspannung der Außenhaut a entsprechend zu
erhöhen, also eine der Belastung entsprechende, verschieden große Vorspannung über
dem Umfang aufzubringen.
-
Bei dem Aufbau eines Flugzeugrumpfes aus Längsbahnen ist deren Breite
herstellungsmäßig begrenzt. Legt man die Verbindungsstellen der Druckstäbe b (Fig.
7) mit der Außenhaut a an die ohnehin erforderlichen Längsbahnnähte, so benötigt
man für die Befestigung der Druckstäbe b keine zusätzlichen Verbindungsteile. .
-
Bei den zur Zeit üblichen Rumpfbauweisen zerschneiden die zahlreichen
durchgehenden Stringer die Spante an der Außenseite, was festigkeitsmäßig nachteilig
ist. Ein so ungünstiges Zerschneiden des Spantrandes kann vermieden werden, wenn
der in Leichtmetall hergestellte Druckstab b durch einen einseitig vergrößerten
Ausschnitt h (Fig. 7) im Steg der Spante c in diese eingeschoben wird. Der Befestigungsschenkel
g des Druckstabes b ist dabei jeweils an der Stelle eines Spantes c abgeschnitten,
damit sich der Druckstab b so weit drehen läßt, daß der Befestigungsschenkel g mit
der Außenhaut a in Berührung kommt.