NO833435L - Strimmelvinklet roerlegeme med lett kjerne - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse angår rørformede legemer oppnådd med vikling av metallbånd rundt en spindel, egnet for bruk som rakettmotorhylstre og prosjektilbeholdere, og andre slike rør-formede beholdere der rørveggstyrken og vekten er av viktighet.

Strimmelvikling er en erkjent teknikk for fremstilling av metall-rør egnet for slike anvendelser som rakettmotorhylser. Se f. eks. US PS 3 044 256 og 3 230 122 såvel som GB PS 747 194, 884 578 og 898 195, som beskriver rørformede metallegemer dannet av et antall adhesivbundne sjikt av spiralviklet strimmelmetall der ved siden av hverandre liggende kanter av metallstrimmelen i et sjikt er forskjøvet i forholdet til ved siden av liggende kanter av strimemlen i et ved siden av liggende sjikt for å unngå enhver innretning av sammenfallende kanter i ved siden av hverandre liggende sjikt. Strimmelvikleprosessen som beskrevet i disse patenter gir nøyaktig runde og rette rør med lave omkostninger. Når det benyttes stålbånd av høy styrke er de resulterende tynnveggede rør med høy ytelse lette og kan på omkostningsbasis kon-kurrere med filamentforsterkede komposittrør.

Imidlertid krever mange anvendelser av lettvektsrør også at

rørene motstår vesentlige veggkrummingskrefter. En slik motstandsevne er proporsjonal med tredje potens av veggtykkelsen. Konvensjonelle båndviklede rør er uegnet for slike anvendelser fordi når yterligere sjikt av stålbåndet legges på for å oppnå tilstrekkelig veggkrummings motstandsevne gjør den tilsvarende vekt-økning og omkostningene de ferdige rør konkurranseudyktige.

Konvensjonelle tynnveggede båndviklede rør er også offer for "denting", punktering eller andre potensielt alvorlige skader p.g.a. støt mot harde gjenstander. En slik ømfintlighet øker risikoen ved anvendelse av beholdere eller raketter som benytter disse rør og reduserer påliteligheten. Det ville derfor være ønskelig å øke slagmotstandsevnen for båndviklede rør eller i det minste å minimalisere virkningene av sliks slag.

Videre ville det under mange omstendigheter være ønskelig å

ha endetilkoblingene for forbindelse med andre legemer integralt festet eller festbare uten å øke diameteren av det ferdige rør istedet for å måtte legges på overflaten av det båndviklede rør i henhold til vanlig praksis.

I henhold til oppfinnelsen omfatter et sylindrisk rørformet metallegeme med øket motstandsevne ovenfor utbuling uten for stor vektøkning og som er mindre ømfintlig ovenfor slagskade og som kan utstyres med integrale endetilkoblinger, et rør av kjent konstruksjon tildannet av et antall adhesivt bundne sjikt av skrueviklede metallbånd (hvori ved siden av hverandre liggende kanter av metallbåndet i et sjikt er forskjøvet i forhold til ved siden av liggende kanter av metallbåndet i det ved siden av hverandre liggende sjikt for å unngå innretning av tilsvarende kanter i ved siden av hverandre liggende sjikt) og dette karak-teriseres ved at den ytre overflate av røret er omgitt av og adhesivt bundet til en sylindrisk ribbeseksjon med cellulær struktur og ribbeseksjonen er omgitt av et andre rør med den samme struktur som det første og med sitt antall båndmetallsjikt skrueformet viklet rundt ribbeseksjonen, idet hvert av rørene har en radial dimensjon som er mindre enn den for ribbeseksjonen og en vekt som er større enn den for denne.

Tilføyelsen av ribbeseksjonen og et andre båndviklet rør ifølge oppfinnelsen forbedrer drastisk veggutbulingsmotstandsevnen for rørlegemene sammenlignet med den minimale vektøkning som oppstår. De foretrukne materialer som er egnet for ribbeseksjonen er formbar metallisk honeycomb med heksagonale eller rektilineære celler.

Fortrinnsvis inneholder bindingen mellom rørene og ribbeseksjonen

et adhesiv fra et sjikt av båndviklet tapeadhesiv.

Fig. 1 er en perspektivskisse av en båndviklet beholder-sylinder 10 ifølge oppfinnelsen. Tegningen viser beholder-sylinderen 10 delvis åpnet mellom endene 13,31 for illustrasjonens skyld. Fig. 2 er et forstørret tverrsnitt av veggen av beholder-sylinderen ifølge fig. 1 langs linjen 2-2 i fig. 1.

Figurene 3 og 4 er tverrsnitt av bak henholdsvis forendene 13,

31 av beholder-sylinderen 10 tatt langs linjene 3-3 henholdsvis 4-4 i fig. 1. Figurene 4 og 5 viser henholdsvis antennehuset for beholdersylinderen i oppriss og i tverrsnitt langs linjen 6-6 i fig. 5. Fig. 1 angir skjematisk i perspektiv en beholder-sylinder 10 ifølge oppfinnelsen. Beholder-sylinderen 10 utgjør utskytnings løpet for et strategisk prosjektil uten slike konvensjonelle innretninger som fremkantlokket og antennen. Beholdersylinderen 10 har en diafragma monteringsflens 12 festet til rørseksjonen

14 i den fremre ende 31. Hull gjennom den andre (bakre) ende

13 av rørseksjonen 14 tillater festing til en støtte slik som skroget på et skip.

Metallbånd 15 hvis kanter er adskilt 17 vikler seg i spiral rundt den sentrale langsgående akse 11 av beholder-sylinderen eller beholder-løpet 10 som angitt i fig. 1. Dette kontinuerlige bånd 15 er det ytre av den ytre sylindriske strimmelviklingsdel av løpet 10.

Fig. 2 er et typisk tverrsnitt av veggen 18 i løpet 10. Vist i fig. 2 er snitt av metallbånd 15, 19 og 21, hvilke metallbånd utgjør den tidligere nevnte båndvikling, den ytre sylindriske del kallt 30. Videre er i dette tverrsnitt av veggen 18 vist en indre sylindrisk del 26 som består av båndene 23, 25 og 27.

Metallbåndene 15, 19, 21, 23, 25 og 27 består hver av et enkelt metallbånd. Avstand 17, 17A og 17B dreier seg i spiral rundt rørdelen 14 i hvert av de respektive plan av båndene 15, 19 og 21. På samme måte ligger avstandene 17c, 17d og 17e mellom de respektive ved siden av hverandre liggende kanter av hvert av båndene 23, 25 og 27 og dreier i spiral rundt rørdelen 14 i hvert av de tre sylindriske plan for disse bånd 23, 25 og 27. Hvert av gapene 17, 17A, 17B, 17C, 17D, 17E inneholder adhesiv.

En honeycomb konstruksjon 28 er innlaminert mellom sylindriske deler 26 og 30 av de tidligere nevnte metallbånd. I tillegg omfatter veggen 18 som vist i fig. 2 videre en gummi-isolator 24 og en fluorert hydrokarbonutforing 22 som adhesivt er bundet dertil. Utforingen 22 og gummi-isolatoren 24 ligger konsentrisk i rørdelen 14 mellom endene 13 og 31.

Figurene 3-6 er ytterligere tverrsnitt av et beholderløp 10

som vist i fig. 1. I tegningene i figurene 3-6 er imidlertid gapene 17, 17A, 17B, 17C, 17D og 17E for enkelhets skyld ikke vist.

Figur 3 er et tverrsnitt av bakenden 13 av rørdelen 14. Veggen 18 i den aller bakerste del av denne bakende 13 omfatter en sylindrisk metallmansjett 20, en indre sylindrisk del 26, sylindriske avstandsstykker 29 og en ytre sylindrisk del 30.

Metallmansjetten 20 i fig. 3 er et hult rør med indre og ytre overflater der den ytre av overflaten er bundet til den til-grensende indre overflate av båndviklingene 26, d.v.s. båndet 23 i fig. 2. Metallmansjetten 20 tjener som fast kjerne for montering av en endegruppe fitting til denne bakerste del av rørdelen 14. Foran den sylindriske metallmansjett 20 og rundt det indre av rørdelen 14 ligger adhesivt sammenbundet utforing 22 og isolator 24. Den andre overflate av isolatoren 24 er adhesivt bundet til den indre overflate av båndet 23.

Fig. 4 er et tverrsnitt av forenden av løpet 10 og viser montering av en diafragmaflens 12 til rørdelen 14. Denne fremre ende av rørdelen 14 omfatter utforingen 22, gummi-isolatoren 24, det trebånds viklede metallsjikt i den indre sylindriske del 26 og det trebåndsviklede sjikt i den ytre sylindriske del 30.

Mellom disse båndviklede sjikt ligger et honeycombsjikt 28 og

i den fremre del av forenden 31 ligger den metalliske mansjett 32. Mansjetten 32 har monteringshull, f. eks. 34, for tilbolt-ing av diafragmaflensen 12 til rørdelen 14 ved hejlp av bolter slik som 37, ikke vist i fig. 1.

Diafragmaflensen 12 tjener til å opprettholde en lukningsflens for å lukke enden 31 i sylinderløpet 10. Hvis ønskelig kan den sylindriske del 35 av flensen 12 tjene som mansjett 32 for der-ved å redusere kompleksiteten av denne ende fitting.

Fig. 5 og 6 viser området av løpet 10 skåret ut for å tillate antenneplassering i forbindelse med bruk av utskytningsløpet. Antennemonteringsflensen 36 festes til sylinderløpet 10 ved fremstilling. Monteringsflensen 36 har en tykkelse som tilsvarer den til honeycombsjiktet 28 og en krumming som tilsvarer den til den sylindriske båndviklede del 26 slik man bedre ser i fig. 6. Hull 38 tjener for montering av den ikke viste antenne del. Den heksagonale cellestruktur for honeycombdelen 28 er vist i fig. 5.

Ved fremgangsmåten for fremstilling av sylindriske bånddeler slik som 26 og 30 som angitt ovenfor, blir hvert av metallbåndene viklet rundt en spindel i en vinkel A der vinekeln A er definert som vinkelen mellom skjæringspunktet mellom (a) den langsgående centerlinje av båndet som legges på spindelen og (b) en linje som er både parallell med den sentrale langsgående akse av spindelen og sammenfallende med overflaten på hvilken strimmelen legges. Vinkelen A kan beregnes etter ligningen A = 90 - Arcus Sinus der W er båndbredden; G er avstanden eller gapet mellom ved siden av hverandre liggende kanter av båndet som skal vikles rundt spindelen; og (c) er omkretsen av oppviklingsoverflaten, d.v.s. spindel + enhver ytterligere økning p.g.a. elastomer, andre båndviklinger på spindelen osv. Bredden W for båndet er avhengig av det valgte båndmateriale; omkretsen C er også fiksert ved rørdiameteren som ønskes; og gapet G er karakteristisk valgt til å være mellom 30 og 50 000 dels tomme, for et rørformet legeme slik som et sylinderløp 10 som her beskrives.

I en relativt enkel gjennomføring av fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen bærer en applikator av dreibenktypen en roterbar spole av metallbåndet. Dreibenkapplikatoren translaterer langs den langsgående akse av en spindel mens denne roterer med en hastig-het slik koordinert at ved siden av hverandre liggende kanter av båndet legges med gapet G seg i mellom. Med hver fullførte rotasjon av spndelen har således dreibenk applikatoren beveget seg avstanden W+ G langs den sentrale lengdeakse av spindelen

sin a

idet W, G og A er som angitt ovenfor. Dette resulterer i gapet G med konsistent dimensjon i spiralvikling rundt spindelen i planet for hvert av de båndviklede sjikt.

Ved fremstilling av et beholderløp som i fig. 10 i figurene 1-

6 velges fortrinnsvis en aluminiumsspindel, spesielt når adhesiv tape som beskrives nedenfor benyttes ved fremstillingen.

Hvis det ferdige rør skal isoleres med en isolator/utforings-kombinasjon slik som tt,24 i beholderløpet 10 blir disse fortrinnsvis beskiktet på spindelen ved bruk av konvensjonelle teknikker før båndviklingen. Alternativt kan isolatoren 22, 24 utelates eller tilsettes etter båndviklingen.

Hvert metallbånd som vikles rundt spindelen kan belegges med adhesiv eller alternativt legges på et sjikt av båndviklet adhesiv. Det båndviklede adhesiv omfatter B-bedømt adhesiv i form av en tape som spiralvikles rundt spindelen for å danne et adhesivsjikt. Ved å danne en indre båndviklet del slik som 26, vist i figurene 2-6 ved bruk av dette tapeadhesiv, blir således et sjikt av adhesiv først viklet rundt gummiisolatoren 24. Deretter blir det båndviklede metallsjikt 23 viklet rundt dette adhesivsjikt fulgt av vikling av ytterligere tapeadhesiv-sjikt og så det båndviklede metallsjikt 25.

Etter at den indre sylindriske båndviklede del er viklet opp blir ribbeseksjonen slik som honeycomb sjiktet 28 lagt rundt dette. Hvis det benyttes et tapeadhesiv blir denne tape først lagt på den ytre overflate av den indre båndviklede del før påføring av ribbedelen. Ribbedelen tildannes over dette adhesivtapesjikt og deretter blir et ytterligere adhesivtapesjikt lagt på ribbedelen. Den ytre sylindriske båndviklingsdel slik som 30 i figurene 2-6 vikles deretter rundt ribbedelen på den måte som er beskrevet i forbindelse med den indre sylindriske båndviklede del, d.v.s. alternerende sjikt av metall og adhesiv der adhesivet kan legges på metallbåndet når dette legges på eller tilbringes som et separat sjikt. Den ytre overflate av det siste båndviklede sjikt, f. eks. båndet 15 i figurene 1-6, krever ikke adhesiv.

Som et alternativ til slikt tapeadhesiv som herder ved forhøyede temperaturer kan det benyttes romtemperatur adhesiver. Disse adhesiver belegges på hvert av båndene og ribbeseksjonen under oppviklingen. På samme måte blir de sylindriske mansjetter også belagt under dette arbeidstrinn.

Når epoksy eller andre slike høytemperaturherdende tapeadhesiver benyttes blir det uherdede eller partielt herdede produkt oppvarmet til den egnede herdetemperatur, f. eks. over ca. 92°C,

i et tidsrom tilstrekkelig til å herde adhesivet. Bruk av alu-miniumspindler er fordelaktige i denne henseende fordi de ekspanderer i større grad enn oppvarmet stålbåndviklede rørlegemer og muliggjør deretter enkel fjerning av rørlegemet etter avkjøl-ing etter herding. Oppvarming av aluminiumsspindelen fra det

indre er foretrukket fordi den indre sylindriske båndviklingsdel ekspanderer først og fikserer ribbedelen, f. eks. honeycomb-delen 28 i figurene 2-6, mellom den ytre og indre sylindriske omviklingsdel.

Den indre ribbedel velges for å motstå disse herdebelastninger. F. eks. har honeycomb-delen 28 i sylinderløpet 10 en knusestyrke på 59,7 kg/cm 2 med en stabilisert kompresjonsstyrke på 91,4 kg/ cm 2. Blant de forskjellige honeycomb-monstre som kan benyttes i praksis ifølge oppfinnelsen er fleksible slike med diverse,

f. eks. heksagonale eller rettlinjede cellekonfigurasjoner. Eksempler på egnede metall honeycomb-konstruksjoner er "Shapegrip" honeycomb fra American Cyanamid bestående f. eks. av 5052 eller 2025 aluminium og hexcels rettlinjede honeycombs "Flex-Core", Ox-Core" og "Tube-Core". Honeycombs av rustfritt stål

er fordelaktige ut fra et korrosjonsstandpunkt når båndviklingene også består av stål.

TyDiske celler av honeycombs som er egnet ifølge oppfinnelsen inkluderer de hvis areal er mellom 0,06 og 0,32 cm 2. Videre kan kjeder, nett, skum o.l. med forskjellig konfigurasjoner og cellestørrelser benyttes som ribbeseksjon ved gjennomføring av oppfinnelsen, forutsatt at de har tilstrekkelig knusestyrke til å motstå herding og å tilfredsstille de krav for de spesielle anvendelser som stilles til rørlegemet. F. eks.-kan stive plastskum slik som "Rohacell" fra Cyro Industries, et stivt pol-ymetacrylimid skum, tilformes til å tjene som ribbedel for rør-legemene ifølge oppfinnelsen. Når B-trinns tape adhesiv benyttes utgjør adhesivet ca. 10 vekt-% av det ferdige rør. Bruk av flytende adhesiver kan imidlertid redusere denne mengde til ca.

5 vekt-% idet disse prosenandeler er basert på et rør med 6 behandlede, rustfrie stålbåndviklingssjikt og "Shapegrid" honeycomb som beskrevet i forbindelse med figurene 1-6. I denne henseende har et rør tilsammen mellom ca. 0,10 og 0,15 cm tykkelse omviklingsadhesiv som stammer fra 6 sjikt med nominelt 0,025 cm tykke adhesivbånd eller mellom ca. 0,05 og 0,76 cm tykke herdede flytende adhesiver fra 6 sjikt med nominell 0,0127 cm flytende adhesiv som pålagt.

Bruken av metallribbedeler er fordelaktig i det at det er en elektrisk kontinuitet som opprettes mellom båndviklingsdelene i det ferdige rørformede legemet. Bånddelene som fremstilles fra andre materialer, f. eks. filament kompositter, termoplast-iske- eller termoherdende harpikser, kan også benyttes der denne elektriske kontinuitet er unødvendig eller sørget for på annen måte.

Den vesentlige forbedring i båndviklede rør ifølge oppfinnelsen vises ved beregninger som viser en 800%-ig økning i rørveggbule-motstandsevnen i beholderløpet 10 som beskrevet ovenfor med kun en 3%-ig økning når honeycomb-delen 28 er 0,317 cm tykk og er fremstilt av "Shapegrip" heksagonal aluminium honeycomb med en knusestyrke på 59,7 kg/cm 2. Denne beregning er også basert på høystyrkestålbånd (290 Ksi strekkstyrke ved brudd) for båndene 15, 19, 21, 23, 25 og 27, der hvert av båndene har en tykkelse på 10 000 dels tomme.

Eksempel.

Ved bruk av den ovenfor angitte prosedyre fremstilles det en båndviklet beholderløp prototype. Den fremre ende av løpet består av et 10 cm langt splittet sylindrisk avstandsstykke. Dette består av sandblåst aluminium og er langs omkretsen holdt på plass for å lukke den aksialt forløpende splittlinje. Honeycomb materialet er "Shapegrip" fra American Cyanamid i heksagonale celler og på samme måte som avstandsstykket er det 0,317 cm tykt. Cellene i dette honeycomb-element har et areal på

ca. 0,16 cm 2. Veggtykkelsen i honeycombcellene er ca . 3 000 dels tomme. Denne aluminium honeycomb er tildannet på forhånd til to 180° halvsylindriske deler, noe som tilsammen ga en sylindrisk honeycomb med en lengde på 183 cm og en diameter på 5 0,8 cm. Det benyttede adhesiv er "FM5 3" fra American Cyanamid med

10,2 cm brede papirtildekkede partielt utherdede epoksytape adhesiv. Høystyrke stålbåndene er sandblåste behandlede og 10,05 - 0,02 cm brede og ca. 11 0 00 dels tommer tykke. Det ferdige prototyprør veide ca. 41 kg og hadde en veggtykkelse på ca. 0,6 cm.

Rørprototypen ble fremstilt ved bruk av en dreibenktype bånd-applikator. Båndkontakt trykket var 0,23 kg/cm 2manometertrykk som oppsto fra en viklings strekkbelastning på 130 kg for hvert av de seks bånd i paret av radialt i avstand fra hverandre anordnede sylindriske deler. Spindelen er aluminium og herdingen av adhesivet skjedde ved ca. 127°C. En viss økning av gapet mellom ved siden av hverandre liggende kanter av båndet bemerkes etter herding. Gapene i de ytre bånd ligger fra 0 - ca. 0,36 cm med et typisk gap på 0,18 cm. Etter at prototypen er fjernet fra spindelen ble endene skåret av. Den skårede prototyp måles og man oppnådde de resultater som er vist i tabell 1.

Claims (4)

1. Sylindriske, rø rformet metallegeme inkludert et rør tildannet av et antall adhesiv bundne sjikt av skrueopp-viklede metallbånd der de ved siden av hverandre liggende kanter av metallbåndet i et sjikt er forskjøvet i forhold til ved siden av hverandre liggende kanter av båndet i det ved siden av liggende sjikt for å unngå enhver inn-retting av tilsvarende kanter i ved siden av hverandre liggende sjikt, karakterisert ved at den ytre overflate av røret er omgitt av og adhesivt bundet til en sylindrisk ribbedel med en cellulær struktur og at ribbedelen er omgitt av et andre rør med den samme struktur som det første og med sitt antall båndmetall sjikt i skrueform viklet rundt ribbedelen idet hvert av rørene har en radialdimensjon som er mindre enn den for ribbedelen og en vekt som er større enn den for ribbedelen.

2. Rørformet metallegeme ifølge krav 1, karakterisert ved at den cellulære struktur for ribbedelen nær en ende av metallegemet er erstattet av en sylindrisk metallmansjett med en veggtykkelse i det vesentlige lik den til ribbedelen.

3. Rørformet metallegeme ifølge krav 1 eller 2,- karakterisert ved at ribbedelen er en formbar metallisk honeycomb-struktur med heksagonale eller rettlinjede celler.

4. Rørformet metallegeme ifølge kravene 1-3, karakterisert ved at bindingen mellom rørene og ribbedelen omfatter adhesiv fra et sjikt av båndviklede tape-adhesiv.