DE3329672C2

DE3329672C2 - Dynamische Stützung hochbeanspruchter Strukturen

Info

Publication number: DE3329672C2
Application number: DE3329672A
Authority: DE
Inventors: Joachim 8011 Dürrnhaar Hermann; Horst Dr.-Ing. 8029 Sauerlach Schneider
Original assignee: Messerschmitt Bolkow Blohm AG
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 1983-08-17
Filing date: 1983-08-17
Publication date: 1986-07-24
Also published as: FR2550856B1; GB2145203B; DE3329672A1; GB2145203A; GB8416871D0; US4656920A; FR2550856A1; US4607560A

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur dynamischen Stützung von hochbeanspruchten Strukturen, wie Rohre, Brennkammern etc. mit einer Anordnung zur Erzeugung eines der Betriebsbeanspruchung entgegenwirkenden Eigenspannungszustandes, zu der Maßnahmen offenbart werden, die eine gleichzeitige Aufbringung der Stützlast mit der Betriebslast erlauben. Die Anwendung dieses Prinzips auf verschiedene Ausführungsbeispiele ist beschrieben.

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur dynamischen Stützung hochbeanspruchter Strukturen, wie beispielsweise Rohre, Brennkammern etc. mit einer Anordnung zur Erzeugung eines der Betriebsspannung entgegenwirkenden Eigenspannungszustandes, wobei über Drosselöffnungen ein Druckausgleich geschaffen wird.

Es ist allgemein bekannt, daß die Beanspruchung eines Werkstoffes von mechanischen Strukturen unter hoher Betriebsbelastung durch Aufbringung geeigneter Gegenlasten oder durch Erzeugung eines der Betriebsspannung entgegenwirkenden Eigenspannungszustandes reduziert wird. Speziell bei Rohren oder Behältern, die hohe Innendrücke aufzunehmen haben, wie beispielsweise auf dem Waffen- und Munitionssektor, sind Verfahren zur Erzeugung eines Eigenspannungszustandes durch Kaltrecken (Autofrettage), Aufwickeln oder Aufschrumpfen weiterer Schichten bekannt Dies setzt jedoch voraus, daß der Eigenspannungszustand stets vor der Betriebsbelastung aufgebracht wird und über die Lebensdauer der Struktur aufrechterhalten bleiben muß. In solchen Fällen ist jedoch die Gefahr von Relaxationsvorgängen gegeben.

Aus der DE-AS 15 78 052 ist ein Schießgerät bekanntgeworden, das einen mit einer pulverförmigen Treibladung gefüllten und hermetisch abgeschlossenen Laderaum aufweist, bei dem die Verdammung so bemessen ist daß eine Druckspitze entsteht, die die Streckgrenze des UmhüUungsmaterials überschreitet aber zeitlich so kurz bemessen ist, daß eine dauernde Verformung unterbleibt

Dieses Verfahren läßt sich jedoch nicht allgemein verwenden. Die Höhe der Betriebsspannung bzw. -belastung entgegenwirkenden Vorspannungszustandes ist entweder durch die statische Festigkeit des Strukturwerkstoffes begrenzt, oder es müssen durch die Strukturform bedingte Verhältnisse berücksichtigt werden.

Durch die DE-OS 30 42 592 ist ein Druckbehälter bekanntgeworden, bei dem durch zeitweisen Druckausgleich zwischen Innen- und Außenbehälter der Innenbehälter im Falle eines ungewollten Komponentenlecks in seinem Inneren gestützt wird. Eine örtlich genaue Aufbringung der Stützlast ist mit den offenbarten Maßnahmen nicht möglich.

Weiterhin ist aus der DE-AS 28 29 640 bekannt, bei einem mehrwandigen Hochdruckbehälter mit einem unter Zwischendruck stehenden Druckübertragungsmittel in jedem Raum zwischen den Wänden und an Dichtungen etc. auftretende kleine Leckagen, wie Haarrisse etc., abzudichten. Hierzu wird ein gießbarer, fließbarer Kunststoff verwendet Durch diese Maßnahmen soll in den Zwischenräumen ein Druckabbau verhindert werden. Für die Aufbringung einer lagegenauen Stützlast ist diese Einrichtung jedoch nicht geeignet

Gemäß dem allgemeinen Erfindungsgedanken der vorliegenden Erfindung ist die der Betriebsbelastung entgegenwirkende Stützlast gleichzeitig und mit gleichem zeitlichem Verlauf mit der Betriebslast aufzubringen.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, bei der die Probleme, die mit einer sogenannten zeitlichen »Vorspannung« zusammenhängen, wie beispielsweise Relaxation, geringe Formstabilität etc, vermieden werden und eine örtlich genaue Aufbringung der Stützlast ermöglicht wird sowie Grundlagen für eine Normung von Stützrohren für Hochdruckrohre geschaffen werden.

Diese Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen niedergelegten Maßnahmen in zuverlässiger Weise gelöst. Die Erfindung ist anhand von Ausführungsbeispielen nachfolgend beschrieben und in den Figuren der Zeichnung grafisch erläutert Es zeigt

F i g. 1 einen Längsschnitt durch ein Ausführungsbeispiel, bei dem nur ein Treibsatz gezündet wird,

F i g. 2 einen Längsschnitt durch ein Ausführungsbeispiel mit Zündung mehrerer Treibsätze,

F i g. 3 ein Ausführungsbeispiel mit einer Ringplattenanordnung an der Mündung zum Druckaufbau für die Stützlast.

In der in F i g. 1 skizzierten Ausführungsform ist das zu stützende Innenrohr 16 in dem Außenrohr 10 mit einem Zwischenraum 14 gelagert ist, und der Stützdruck wird durch Oberströmen des Treibgases aus dem Raum 11 in den Raum 12 erzeugt. Um nun diesen Stützdruck

zu begrenzen, sind ein oder mehrere Drosselöffnungen 13 im Innenrohr 16 angeordnet Diese Drosselöffnungen 13 können im Sinne einer wachsenden Durchflußmenge, wie sie dem beschleunigten Lauf des Geschosses 18 entspricht, so gestaltet sein, daß sie sich in Funktion der Zeit erweitern. Es kann sich auch die Zahl der Drosselöffnungen bzw. deren Querschnitte bedarfsgemäß verändern. Dies wird durch den Abbrand des Treibsatzes oder durch die Vergrößerung des Treibgasraumes 11 infolge der Geschoßbewegung bestimmt Um das Innenrohr 16 ist nun eine Manschette 15 aufgezogen, die am Ende des Außenrohres 10 anliegt und zwischen diesem und dem Innenrohr 16 einen Ringraum 12 bildet Die Manschette 15 besteht aus einem Werkstoff ausreichender Duktilität so daß durch den nach vorne wandernden Aufblähvorgang infolge des durch die Drosseln 13 einströmenden Treibgases kein Riß entsteht Der Ringraurn 12 wird so eng wie möglich bemessen, um das Gewicht der Anordnung zu minimieren. Um nun zwischen Außenrohr 10 und Innenrohr 16 eine form- und kraftschlüssige Verbindung sicherzustellen, kann der Zwischenraum 14 mit einem harten, aber kom,sressibien Werkstoff, wie beispielsweise Hartschaum, ausgefüllt sein. Zur Oberleitung der Rückstoßkraft aus dem Innenrohr 16 in das Außenrohr 10 sind ein oder mehrere Stützblöcke 17 angeordnet

Natürlich läßt sich das vorbeschriebene Prinzip der fortschreitenden Ausweitung einer Manschette und das Prinzip der Oberströmöffnungen zur Druckspeisung der stützenden Ringräume sowie die Halterung der ineinanderliegenden Teile durch Hartschaum auch auf mehr als eine zweistufige Stützstruktur übertragen.

Ein Berechnungsbeispiel bezüglich einer Massenreduzierung eines vorbeschriebenen Zweischalen-Rohres bei Auslegung auf Kurzzeitfestigkeit, wo bei der hier vorliegenden rotationssymmetrischen Belastung keine Schubspannungen auftreten, hat ergeben, daß eine um 25% höhere Kurzzeitfestigkeit zu einer Reduzierung der Strukturmasse um rund 41% führt Bei den bekannten Verfahr ;n nach dem Stand der Technik zur Erhöhung des zulässigen Innendruckes kann eine höhere Kruzzeitfestigkeit — wenn überhaupt — nur in sehr begrenztem Umfang in Anspruch genommen werden. Bei faserverstärkten Werkstoffen ist ein Eigenspannungszustand kaum über längere Zeit in gewünschter Höhe aufrecht zu erhalten.

Bei dem in F i g. 2 skizzierten Ausführungsbeispiel eines Mehrschalen-Hochdnickrohres für den einmaligen Einsatz zur Beschleunigung von Wuchtgeschoßen erfolgt ein stufenweiser Di ackabbau von innen nach außen, d. h. P\ ist größer als P2 und dieser wieder größer als P3 und so fort, wobei alle Drücke durch geeignete Pulverladungen erzeugt werden. Das gezeigte Beispiel setzt sich aus drei Schalen 10, 22 zusammen, zwischen denen jeweils ein Zwischenraum 20 mit bestimmtem Volumen hergestellt ist. Am Ende des Rohres 10 und der Schalen 22 sind die Zwischenräume 20 mit Pulverladungen Pt-P_n ausgefüllt und mit Dämm-Massen 21 begrenzt bzw. abgeschlossen. Diese Dämm-Massen 21 werden so ausgelegt, daß alle die gleiche Beschleuni- eo gung erhalten. Ferner ist es in einem weiteren Ausführungsbeispiel vorgesehen, daß die Schalen 22 axial verschiebbar ausgebildet bzw. gelagert sind, um so jeweils gewünschte Pulvermassen einbringen zu können. Die Primär- und die Stützladungen werden gleichzeitig gezündet und so die Stützlasten in den Zwischenräumen 20 erzeugt.

Das hier vorgeschlagene Prinzip läßt sich auch beispielsweise auf Kanonenrohre anwenden, die dann durch einheitliche äußere Stützrohre mit entsprechendem Außendurchmesser versehen werden. Die dynamische Stützlast wird wieder durch Zünden einer Pulverladung im Hohlraum zwischen Primärrohr 10 und dem — gegebenenfalls zu normenden — Außenrohr 16 erzeugt. Der Druckaufbau im Zwischenraum kann dadurch erfolgen, daß der zwischen beiden Rohren 10,16 gebildete Hohlraum an der Mündung entweder durch eine federgespannte Klappe oder eine mit Düsenöffnungen 31 versehene Ringplatte 30 abgeschlossen ist, wie es schematisch in der F i g. 3 dargestellt ist

Das Prinzip läßt sich auch anwenden bei nicht rotationssymmetrischen Brennkammern, bei denen das Aufbringen eines Vorspannungszustandes — beispielsweise durch Wickelschichten — wegen zu geringer Formstabilität nur sehr begrenzt möglich ist.

Denkbar ist weiterhin die Anwendung des Prinzips bei einmaliger Verwendung eines sehr kurzzeitig in der Form, daß die Außenfläche des Rohres eines Wuchtgeschosses in der Form, daß die Außenfläche des Rohres mit Sprengstoff belegt wird, der gleichzeitig mit der Primärladung gezündet wird und in Mündungsrichtung mit geeigneter Geschwindigkeit abbrennt

Die hier vorgeschlagenen Maßnahmen erbringen eine Reihe von Vorteilen gegenüber dem Stand der Technik. Da sowohl die Betriebslast als auch die Stützlast gleichzeitig zur Wirkung kommen, treten keinerlei Probleme wie Relaxation, Begrenzung der »Vorspannung« durch die Richtung der »Vorspannungsbelastung« auf. Aber auch vorzeichenabhängige Festigkeitsgrenzen wie verschiedene Zug- und Druckfestigkeit oder von der Strukturgestalt abhängige Vorlastgrenzen bilden keine Probleme mehr.

In den Fällen, in denen die Höhe der zulässigen »Vorspannung« durch die statische Festigkeit (Langzeitfestigkeit) einer Strukturkomponente begrenzt ist, beispielsweise bei gewickelten Rohren, wo im Kernrohr die Druckfestigkeit des Werkstoffes erreicht wird, können durch das gleichzeitige Wirken von Betriebs- und Stützlasi höhere Betriebslasten zugelassen werden.

Bei einmaliger, kurzzeitiger Beanspruchung können dynamisch gestützte Strukturen effektiv nach der Kurzfestigkeit des Werkstoffes dimensioniert werden. Dies kann zu höheren zulässigen Betriebslaston führen.

Durch Verwendung einheitlicher Strukturen zur Aufnahme der zur Stützung der Primärstrukturen aufgebrachten Kräfte ist eine Rationalisierung und Normung gegeben.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Einrichtung zur dynamischen Stützung hochbeanspruchter Strukturen, wie beispielsweise Rohre, Brennkammern etc. mit einer Anordnung zur Erzeugung eines der Betriebsspannung entgegenwirkenden Eigenspannungszustandes, wobei über Drosselöffnungen ein Druckausgleich geschaffen wird, dadurch gekennzeichnet, daß als Einrichtung zur Erzeugung einer gleichzeitigen und mit gleichem zeitlichen Verlauf erfolgenden Aufbringung einer Stützlast eine sich plastisch verformende Manschette (15) um das mit Drosselöffnungen (13) versehene zu stützende Rohr (16) und im Zwischenraum (14) zum Außenrohr (10) gelagert ist oder mehrere unterschiedlich große Rohrschalen (22) angeordnet sind, in deren von Dämm-Massen (21) oder Stützmanschetten (15) begrenzten Zwischenräumen (20) Sekundärladungen (P₂- P_n) lagern.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur form- und kraftschiüssigen Verbindung des Außenrohres (10) mit dem Innenrohr (16) der Zwischenraum (14) über der Manschette (15) mit einem Hartschaum gefüllt ist

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2 mit Stützblöcken zwischen Innen- ,und Außenrohr, dadurch gekennzeichnet, daß die Stützblöcke (17) in dem von der Manschette (15) zwischen Innen- (16) und Außenrohr (10) gebildeten Ringraum (12) zur Überleitung der Rückstoßkraft angeordnet sind.

4. Eim .chtung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daP die mehrschaligen Rohre (22) zur Variierung der Ladungsmassen (Pi-Pi) gegeneinander verschiebbar a; «gebildet sind.

5. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die in den Zwischenräumen (20) der verschiedenen Rohre (22) angeordneten Dämm-Massen (21) so dimensioniert sind, daß alle dieselbe Beschleunigung erhalten.

6. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zum Druckaufbau für die Stützlast im Raum zwischen Innen- (16) und Außenrohr (10) an der Mündung eine federgespannte Klappe oder eine mit Düsenöffnungen (31) versehene Ringplatte (30) angeordnet ist.