DE2349499A1

DE2349499A1 - Flexibles bauteil

Info

Publication number: DE2349499A1
Application number: DE19732349499
Authority: DE
Inventors: Maynard L Stangeland
Original assignee: Rockwell International Corp
Current assignee: Boeing North American Inc
Priority date: 1972-10-02
Filing date: 1973-10-02
Publication date: 1974-04-11
Also published as: GB1416507A; IT994453B; JPS4972088A; FR2215861A5

Description

ROCKWELL INTERNATIONAL CORP.,
El Segundo, California, U.S.A.

Flexibles Bauteil

Die Erfindung betrifft ein flexibles Bauteil aus einem Blech, einer Platte oder einer Folie.mit mindestens einem Paar sieh linear erstreckender und einander kreuzender Rinnen mit parallelen Außenkanten.

Es besteht ein Bedürfnis nach plattenförmigen Bauteilen, welche einen hohen Druck aushalten können, sowie kryogene Temperaturen und erhöhte Temperaturen und welche während wiederholten Parallelverschiebungen mit Scherbeanspruchung eine ausgezeichnete Flexibilität zeigen. Man kennt Metallgewebe, welche aus einer Vielzahl von Segmenten oder Streifen bestehen, die ineinander verwoben sind. Eine solche Struktur weist jedoch eine Vielzahl von Poren auf und kann nicht zum Absperren einer Flüssigkeit oder zur Aufrechterhaltung eines hohen Drucks in einer Kammer dienen. Somit besteht ein Bedürfnis nach einem undurchlässigen Bauteil, welches eine ebensolche Flexibilität hat wie das genannte Gewebe.

Es sind verschiedene Methoden bekannt, um thermischen und physikalischen Ausdehnungen von Behältern, Tafeln oder dergleichen Rechnung zu tragen. Das US-Patent 3.224.621 beschreibt ein zylindrisches Gefäß für Flüssigkeiten, deren Temperatur von der Umgebungstemperatur abweicht. Mit Prägungen versehene tafelförmige Bauteile dienen des Ausgleichs

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thermischer Expansion. Sie haben vertikale und longitudinale eingeprägte Vertiefungen in Form von sich überkreuzenden Linien, welche durch kreisförmige eingeprägte Linien durchschnitten werden. Der Bereich der Überkreuzung der eingeprägten Linien hat die Gestalt eines Ringes mit radialen Speichen. Mit einer derartigen Struktur werden Kräfte beseitigt, welche durch thermische Ausdehnung oder Kontraktion entstehen. Das gesamte eingeprägte Muster liegt jedoch in der gleichen E^ene und es werden nicht alle Spannungslinien der Schertranslationsbewegung unterbrochen. Solche Tafeln haben eine begrenzte Flexibilität bei thermischer Ausdehnung oder Kontraktion und sie zeigen keine Scherflexibilität.

Das US-Patent 3.335.902 betrifft Wülste an Dosen oder dergleichen. Parallelverlaufende Wülste oder Rinnen verlaufen in axialer Richtung und in Umfangsrichtung des zylindrischen Körpers und überkreuzen einander. Die Tiefe der Rinnen bei jeder Kreuzungsstelle von axialen und kreisförmigen Rillen ist gleich der algebraischen Summe der Einzeltiefen der Rillen. Ziel dieser Ausbildung ist es, dem Bauteil sowohl in axialer Richtung Festigkeit zu verleihen als auch eine Widerstandsfähigkeit gegen Ausbeulung. Bei dieser Ausführungsform überlagern sich die einzelnen Rillen, so daß in beiden Richtung/Starrheit erhalten wird. Die Kanten zwischen flachem Bereich und gekrümmtem Bereich der Rillen sind scharf, wodurch eine sehr große Steifigkeit erzielt wird. Hierdurch wird jegliche Flexibilität und insbesondere eine Scherflexibilität ausgeschlossen.

Das US-Patent 3.357.593 beschreibt eine Einrichtung zur Herstellung von zylindrischen Bauteilen mit helixförmigen Rillen, welche über Kreuz laufen, so daß das zylindrische Bauteil Druckkräften und Longitudinalkräften widersteht.

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Durch die Rillen wird dem Bauteil eine Starrheit verliehen, und jegliche ScherflexiMlität wird verhindert.

Es ist somit Aufgabe der Erfindung, ein flexibles Bauteil der genannten Art zu schaffen, welches eine ausgezeichnete Scherflexibilität aufweist.

Diese Aufgabe v/ird erfindungsgemäß bei einem flexiblen Bauteil der genannten Art durch kugelförmig aufgewölbte Kuppen an den Kreuzungsstellen der Rinnen und durch eine Krümmung mit einem vorbestimmten Krümmungsradius als Übergang zwischen dem flachen Bereich und der Rinne gelöst, so daß eine große Flexibilität und insbesondere Scherflexibilität und eine geringe Starrheit oder Steifigkeit gleichzeitig verwirklicht sind.

Die Rillen haben vorzugsweise eine Orientierung von 45 ° zum Schervektor. Durch die Rinnen und Kuppen werden die Hauptspannungs— und Druckbeanspruchungen der Membran in Biegebeanspruchungen mit wesentlich verringerter Federkonstante oder Federsteife in Zugrichtung, wobei jedes unkontrollierte Ausbuckeln oder Auswölben in Kompressionsrichtung eliminiert wird, verändert. Die Rillen haben vorzugsweise eine Orientierung von 45 ° zu den Kanten des Bauteils. Die halbkugelförmigen Kuppen bilden den Schlüssel zur Scherflexibilität, indem sie die Hauptspannungslinien entlang den Scheitellinien der Rillen unterbrechen. Die halbkugelförmigen Kuppen bilden Erhebungen in beiden Richtungen der Ebene der sich' "^: überkreuzenden Rillen.

Das Bauteil kann aus metallischem oder nicht-metallischem Material bestehen. Es handelt sich insbesondere um ein ausgedehntes Bauteil für Behälter für hohen Druck oder für Flüssigkeiten oder dergleichen. Zusätzlich kann diese Struktur Membranbelastungen ertragen, welche in einem

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Winkel von 90 ° zur Richtung der Scherflexibilität verlaufen. Bei der Anwendung dieses Bauteils können alle Temperaturen innerhalb der Temperaturgrenzen des Materials selbst gewählt werden. Bei geeigneter Dimensionierung kann das erfindungsgemäße scherflexible Bauteil äußerst große ' Schertranslationsbewegungen aufnehmen, je nach Abstand, Rillen, Größe der Kuppen, Dicke des Materials und Art des Materials.

Das Baliteil kann als kontinuierliche Membran hergestellt v/erden.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert.

Es zeigen:

Pig. 1 eine perspektivische Ansicht eines Ausschnitts des erfindungsgemäßen Bauteils;

Pig.2a eine Draufsicht auf eine Kreuzungsstelle zweier Rillen bei dem Bauteil gemäß Fig. 1;

Pig.2b einen Schnitt durch eine Kreuzungsstelle zweier Rillen dfes Bauteils gemäß Fig. 1;

Pig. 3 eine Draufsicht eines Bauteils gemäß vorliegender Erfindung mit unter 45 ° orientierten Rillen;

Pig. 4 einen Schnitt entlang der Linien 4-4 der Pig. 3, "bei verschiedenen Spannungsbeanspruehungen;

Fig. 5 eine schematische Darstellung des Bauteils gemäß Pig. 1 bei Scherbeanspruchung; und

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Pig. 6 eine perspektivische Ansicht einer typischen Anwendungsform des erfindungsgemäßen Bauteils.

Fig. 1 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Ausschnitts aus einem Material mit Scherflexibilität, welches allgemein mit 10 "bezeichnet ist. Dieses umfaßt ein Blech oder ein Blatt 12, z. B. aus Edelstahl mit der folgenden Konfiguration: Eine Reihe von Palten oder Rinnen, welche allgemein mit 14 "bezeichnet sind, sind in das Blech 12 eingeprägt. Diese Rinnen laufen im Winkel von 45 ° relativ zu den Seitenkarrten der Tafel (Fig. 3). Die Rinnen 16 schneiden die Rinnen 18 in einen Winkel von 90 °. An den Kreuzungsstellen der Rinnen 16 und 18 sind halbkugelförmig aufgewölbte Kuppen 20 vorgesehen. Der Zweck dieser halbkugelförmigen Kuppen 20 an den Kreuzungsstellen der Rinnen ist es, die Hauptspannungslinien,- welche entlang den G-radlinien oder Scheitellinien der Rinnen verlaufen, zu unterbrechen, und zwar in ähnlicher Weise, wie die Rinnen selbst die Hauptspannungslinien des flachen Bleches unterbrechen.

Die Abmessungen und die Abstände der Rinnen 14 und der Kuppen 20 hängen von der gewünschten mit Scherbeanspruchung verlaufenden Translationsbewegung ab, sowie von dem zur Verfugung stehenden Raum, von der Art des Materials und von der Materialdicke.

Das Material wird derart ausgewählt, daß es den erforderlichen Temperatur-, Druck- und Umgebungsverhältnissen genügt. Falls die spezielle Anwendungsform eine Flüssigkeitsaufnahme oder eine Gasaufnahme unter niedrigem Druck und bei Zimmertemperatur vorsieht, so kann man entweder dünnes Blech oder Kunststoff wählen. Falls die Anwendungsform die Aufnahme hoch korrodierender Flüssigkeit bei hohem Druck und bei erhöhten Temperaturen oder bei kryogenen Temperaturen

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vorsieht, so wählt man am besten einen Stahl mit einer großen Festigkeit und mit einem hohen Korrosionswiderstand oder Aluminium oder dergleichen.

Die Materialdicke ist eine Punktion des Arbeitsdrucks und der Materialstärke. Die Dicke des Materials sollte jedoch so gering wie möglich sein, um eine möglichst große Flexibilität bei einem gegebenen Muster zu erzielen.

Die Abstände und Abmessungen des Musters sind allgemein so gewählt, daß die maximalen Arbeitsdehnungen weniger als 5 000 u cm/cm (0,5 /^a) betragen, so daß die Lebensdauer sehr lang ist. Eine andere Größe, welche bei der Auswahl des Musters beachtet v/erden sollte, ist, das Ausmaß der Deformation des Materials bei dem Formverfahren. Die Dimensionierungen der Rinnen 16 und 18 und der sphärischen Kuppen 20 kann analytisch erfolgen, indem man das Muster zu einigen Grundstrukturen vereinfacht und die Dehnungen jeweils innerhalb des gewünschten Bereichs (0,5 i°) hält. Die folgenden geometrischen Beziehungen sind typische Konstruktionsparameter.

Unter Bezugnahme auf Fig. 2b ist die Dicke (t) des Bleches oder der Platte so dünn wie möglich und die Abstände der Rinnen sind ebenfalls so klein wie möglich,, innerhalb der Verformungsgrenzen des Materials. Der Rinnenradius (R₁) sollte so groß wie* möglich sein, innerhalb der Verformungs grenz en des Materials. Er folgt typischerweise der Beziehung R.. = 6 t bis 12 t. Die kleinen Übergängsradien 'zwischen den Rinnen (r.) folgen typischerweise der Beziehung r. = 3 t bis 5 t oder τ, = R. /_ bis Rw*. Es ist ein wichtiges Merkmal der ' Erfindung, daß .die Deformationen zu sehr konzentriert werden und die Flexibilität zu sehr herabgesetzt wird, falls

diese Radien (r.) zu klein sind. Die Rinnenhöhe (h ) folgt ¹ 1

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typischerweise der Beziehung h. = R₁ + r.. Die Radien der Kuppen (R„, R,) gehorchen typischerweise den Beziehungen R₂ = 1,5 R^ und R^ = 0,9 R^ und die Höhe der Kuppen (hp) gehorcht typischerweise der Beziehung L = 2 L.

Fig. 3 zeigt eine Tafel für Modulbauweise mit Rinnen 16 und 18, welche in die Tafel eingeprägt sind, an deren Kreuzungsstellen sphärische oder kugelförmige oder halbkugelförmige Kuppen 20 ausgebildet sind. Diese Platte kann starr entlang der unteren Kante 22 befestigt sein. Die obere Kante 24 kann von einer Seite zur anderen um einen beträchtlichen Abstand verschoben werden, wenn die benachbarten Körper eine Relativbewegung ausführen oder wenn eine solche Relativbewegung durch eine Temperaturdifferenz zwischen der oberen Kante 24 und der unteren Kante 22 zustandekommt. Beim Biegen des Materials werden die Rinnen 16 und 18 und die Kuppen 20 gemäß Fig. 4 entweder gestreckt oder kontraktiert.

Im nicht deformierten Zustand haben die Kuppen der Tafel einen Querschnitt gemäß der mittleren Figur (20);bei der Deformiertung des Materials haben die Kuppen entweder die Konfiguration 20", wobei die Kuppen weiter werden oder , falls das Material zusammengedrückt wird, die Konfiguration 20', bei der die Kuppen zusammengepreßt erscheinen. Die Querschnittsformen der Rillen 16 und 18 zeigen das gleiche Yerhalten wie die Querschnittsformen der Kuppen gemäß Fig. 4. Die Deformierung der Rillen durch Kompression und Dehnung verläuft genau wie bei den Kuppen. Somit ersieht man, daß die Rillen eine Kompression oder eine Dehnung in der Ebene der Platte erlauben und daß die- Kuppen 20 eine Kompression oder eine Dehnung an den Kreuzungsstellen der Rillen 16 und 18 erlauben.

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Pig. 5 zeigt eine schematische Darstellung einer Platte, welche seitlich deformiert wird. Die obere Kante 24 wird relativ zur festgehaltenen unteren Kante 22 um eine Strecke "D" (in der oberen linken Ecke der Pig. 5) nach links bewegt. In diesem Pail ersieht man anhand der Querschnittlinie 16 und 18, daß die Rillen 16 und die Kuppen 20' parallel zur Rille 18 zusammengedrückt werden, während die Rillen 18 und die Kuppen 20" parallel zu den Rillen 16 gestreckt werden. Auf diese Weise ist eine relativ starke Deformation möglich, ohne daß es zu einer Beschädigung der Platte, wie z. B. durch Ausbuckeln oder durch Spannungsrisse im Material, kommt.

Als Material 10 kann man z. B. Edelstahl (302 Cres) wählen, welches zu der dargestellten Konfiguration geprägt wird. Ein derartig geprägtes Edelstahlmaterial zeigt Eigenschaften, welche fast den Eigenschaften von Kunststoff gleichen. Natürlich können auch andere Materialien eingesetzt werden.

In Raketenmotoren werden die verschiedenen Bauteile oft extrem großen Wärmeänderungen unterworfen. Wärmegradienten können um mehr als 1 200 C zwischen den einseinen Bauteilen variieren, wodurch erhebliche Deformationen desselben Zustandekommen. Oft ist es erforderlich, zwischen zwei verschiedenen Bauteilen unterschiedlicher Temperatur eine dichte Verbindung herzustellen. Eine solche Verbindungsbarriere muß "befähigt sein, die durch den hohen Tempera tür gradient en hervorgerufene Deformation zu absorbieren. Pig. 6 zeigt ein Abschlußelement 30 aus Edelstahlblech, welches einerseits an die Außenkante einer Turbinenabgasleitung 32 (430 C) geschweißt ist und andererseits an eine Brennstoffleitung (- 240 ⁰C). Die Absperrung verhindert, daß Gas mit einer Temperatur von 430 ⁰C und einem Druck von 0,35 Atmosphären aus dem Raum zwischen der Turbinenauspuffbasis und dem Triebwerkraum während des Zündens austritt. Die Absperrung

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30 verhindert jeglichen Durchtritt von Gas zwischen' einer Atmosphäre 4Q oberhalb der Absperrung,, welche einen Druck nahe^ Yakuum haben "kann und einer Atmosphäre 41 unterhalb der Absperrung mit umgebungsdruck, wobei gleichzeitig eine gute Flexibilität, gewährleistet ist. Die Ab—Sperrung bildet eine Druckbarriere,, welche die zwei Druckbereiche zwischen den Bauteilen oder um diese herum vollständig abtrennt* Perner erlaubt die Absperrung eine Y or- und Rückbewegung' 44 der Abgasleitung 32 relativ zur Brennstoffleitung 34 sowie eine Auf- und Abbewegung 46 und eine Ein- und Ausbewegung 48 einzeln oder gleichzeitig«

Eine thermische Expansion der Turbinenabgasleitung 32 und eine thermische Konizaktion der Hauptbrennstoff leitung 34 bewirken Relativbewegungen mit einer Scherdeformation der Absperrung von etwa 1,3 cm. Der Viert der Scherdeformation hat ein Maximum an den Kanten und verringert sich allmählich bis auf den Wert Null im Mittelbereich der Absperrung. Man kann leicht erkennen, daß die Absperrung einer beträchtlichen Scherdeformation widersteht. Die Absperrung hat eine umgekehrte U-förmige Gestalt um weiteren Relativbewegungen Rechnung zu tragen, wobei die Kuppen 20 und die Rinnen 14 nach unten zeigen. Es wurde festgestellt _r daß sich das Wellenmuster dabei leichter ausbilden läßt. Je mehr Material dazu verwendet wird, den Zwischenraum zwischen der iEurbinenabgasleitung 32 und der Brennstoffzufuhrleitung 34 zu überbrücken, umso geringer ist die Deformation, der das Material der Absperrung unterworfen wird_o

Bei einem typischen Fall besteht das Material aus Stahlblech (347 Ores) mit einer Dicke von 0,45 Mm₀ Das Material ist Zo B₀ 20 cm breit bei einer Anwendung, welche eine Schertranslationsbewegung von 1_P25 cm erforderlich macht. Die Rillen haben einen Abstand von 2_S54 cm voneinander, gerechnet von den Mittellinien, wobei die Primärradien

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der Rillen etwa 3,6 mm betragen und wobei die Reliefradien etwa f ,7 mm betragen und wobei die Höhe etwa 4,7 mm beträgt. Die Primärradien der Kuppen betragen etwa 5,-5 πμ, wobei ,die Kantenradien 5,1 mm betragen und wobei die Höhe etwa 10>2 mm beträgt.

Man erzielt wiederum eine äußerst gute Scherflexibilität indem die Hauptspannungslinien durch die Rillen unterbrochen sind. Man kann auf diese Weise schal—enförmige Bauteile erzeugen oder baukastenförmige Wandstrukturen. Durch die Rillen werden die Hauptmembranspannung und die Druckspannungen in Biegespannungen umgesetzt. Hierdurch wird die Feder-konstante oder die Federsteifigkeit in Zugrichtung erheblich herabgesetzt und unerwünschtes Ausbeulen in KompreasLonsrichtung wird eliminiert.

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Claims

- 11 PATEU.T-ANSPRÜCHE

1.7 Flexibles Bauteil aus einem Blech, einer Platte oder einer Folie mit mindestens einem Paar sich linear erstreckender und sich kreuzender Rinnen mit parallelen Außenkanten, gekennzeichnet durch kugelförmig aufgewöTbte Kuppen (20) an den Kreuzungsstellen und durch eine Krümmung mit einem vorbestimmten Kriimmungsradius (r..) als Übergang zwischen den flachen Bereichen und den Rinnen (16,18), so daß hohe· Flexibilität und geringe Starrheit "bestehen.

2. Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Krümmungsradius (r.) den drei- "bis fünffachen Wert der Dicke des Materials hat. '

3. Bauteil nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Rinnen (16,18) sich im rechten Winkel kreuzen.

4. Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis'3, dadurch gekennzeichnet, daß die Rinnen (16,18) einen Winkel von 45 ° zu einer Kante des Bauteils bilden.

5. Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Höhe (h.) der Rinnen (16,18) den sechs- bis zwölffaehen Wert der Dicke des Materials hat.

6. Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die G-esamthöhe (h„) der Kuppen (20) etwa den zweifachen Wert der Höhe (h^) der Rinnen (16,18)

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7. Bauteil nach einem der Ansprüche 1 Ms 6, dadurch gekennzeichnet, daß es die Form einer gekrümmten Platte (30) hat. . .

8. Bauteil nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Kuppen (20) relativ zu der gekrümmten Platte (30) einwärts erstrecken.

9. Verwendung des Bauteils nach einem der Ansprüche 1 bis 8, als Abschlußbauteil zwischen zwei Bauteilen, welche relativ zueinander beweglich sind und/oder eine verschiedene Temperaturausdehnung haben und insbesondere zwischen der Brennstoffzuleitung und dem Abgasauslaß eines Raketenmotors. ...

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