DE952594C - Auf Zug vorgespannte Schale - Google Patents

Auf Zug vorgespannte Schale

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DE952594C
DE952594C DEB35512A DEB0035512A DE952594C DE 952594 C DE952594 C DE 952594C DE B35512 A DEB35512 A DE B35512A DE B0035512 A DEB0035512 A DE B0035512A DE 952594 C DE952594 C DE 952594C
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DE
Germany
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outer skin
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pressure rods
compression
pressure
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Expired
Application number
DEB35512A
Other languages
English (en)
Inventor
Dipl-Ing Walter Blume
Konrad Toebe
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W BLUME INGENIEURBUERO fur LE
Original Assignee
W BLUME INGENIEURBUERO fur LE
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Publication date
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Expired legal-status Critical Current

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Classifications

    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B64AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
    • B64CAEROPLANES; HELICOPTERS
    • B64C1/00Fuselages; Constructional features common to fuselages, wings, stabilising surfaces or the like
    • B64C1/06Frames; Stringers; Longerons ; Fuselage sections
    • B64C1/061Frames

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Aviation & Aerospace Engineering (AREA)
  • Rod-Shaped Construction Members (AREA)

Description

  • 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.

Claims (7)

  1. PATENTANSPRÜCHE: I. Anordnung einer vorgespannten Schale, insbesondere eines Flugzeugrumpfes, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere um den Umfang gleichmäßig oder beliebig verteilte Druckstäbe, die gegen Ausknicken in Spanten geführt sind, die Außenhaut so weit auf Zug vorspannen, daß die im Betrieb auftretenden Druck- und Biegespannungen für die Außenhaut kleiner sind als ihre Zugvorspannung.
  2. 2. Anordnung nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckstäbe nur im vorderen und hinteren Teil mit der Außenhaut verbunden werden, die eventuell in diesen Bereichen zusätzlich auszusteifen ist.
  3. 3. Anordnung nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckstäbe über die ganze Länge mit der Außenhaut verbunden werden.
  4. 4. Anordnung nach Anspruch I und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindung der Druckstäbe mit der Außenhaut abschnittsweise erfolgt, bei verschieden großen Vorspannkräften (Fig. 5).
  5. 5. Anordnung nach Anspruch I, 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Vorspannen im Druckstab im Bereich der größten Beanspruchung ein Einschubrohr befestigt wird, welches zwecks Erzeugung einer gleich großen Vorspannung im Druckstab (b) und Einschubrohr (e) mit Hilfe gleich starker Abstandrohre (f) vor dem Verbinden mit der Außenhaut vorgespannt wird (Fig. 6).
  6. 6. Anordnung nach Anspruch i bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß während des Zusammenbaues die Kraft im Druckstab durch einen eingelegten, nach dem Gebrauch wieder herausnehmbaren Zuganker aufgebracht wird.
  7. 7. Anordnung nach Anspruch i bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß durch verschieden starke Druckstäbe um den Umfang die Zugverspannung der Außenhaut dementsprechend verschieden groß ist. B. Anordnung nach Anspruch i bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Längsverbindungen zwischen den Druckstäben und der Außenhaut mit den erforderlichen Randverbindungen der Längsbahnen .zusammenfallen (Fig. 7). g. Anordnung nach Anspruch i bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Befestigungsschenkel der Druckstäbe an allen Spanten ausgeschnitten sind, damit die Druckstäbe nach ihrem Einschieben durch entsprechend dem Profil der Befestigungsschenkel vergrößerte Ausschnitte in den Spantstegen so verdreht werden können, daß die Befestigungsschenkel sich an die Außenhaut legen (Fig. 7).
DEB35512A 1955-04-28 1955-04-28 Auf Zug vorgespannte Schale Expired DE952594C (de)

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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO1998015455A1 (fr) * 1996-10-07 1998-04-16 Xinyun Wang Structure precontrainte destinee a un avion et son procede de fabrication
CN1051520C (zh) * 1996-10-07 2000-04-19 王新云 飞行器的预应力结构及制造方法
EP1714866A1 (de) 2005-04-21 2006-10-25 Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. Träger in Schalenbauweise, insbesondere Tragflügel eines Flugzeugs
DE102008047001B4 (de) * 2008-09-12 2014-09-11 Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. Spannträger

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DE102005018428A1 (de) * 2005-04-21 2006-10-26 Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. Träger in Schalenbauweise, insbesondere Tragflügel eines Flugzeugs
DE102008047001B4 (de) * 2008-09-12 2014-09-11 Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. Spannträger

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