气动结构元件.pdf

根据本发明的气动结构元件由一个到多个以下结构形式相互连接的元件组成：两个带罩壳(9)的空心体(1)优选地由气密的涂层纺织材料制成，其带有端盖(5)，结合起来形成共同的截面(2)。该截面(2)的边缘由两个弧形拉-压元件(3)构成，其上夹紧了由高抗拉伸强度纺织材料制成的网条(4)。通过向两个空心体(1)内注入压缩空气，在罩壳(9)形成拉伸应力σ，其直接或者通过拉-压元件(3)传递到网条(4)，并对网条进行预张紧。该预张紧力大大提高了拉-压元件(3)的弯曲刚度。如果大量这样的元件结合组成顶盖，每两个邻近的空心体(1)之间形成带拉-压元件(3)和网条(4)的截面(2)。

1、  一种带气密罩壳(9，103)和拉-压元件(3)的气动结构元件，所述拉-压元件(3)包括至少一个可承载压力的加固元件(3，30，104)和至少一个可承载拉力的加固元件(3，33，103)，其特征在于，还设有贯穿所述结构元件并且在所述结构元件的工作压力下通过其而预张紧的网条(2，4，110)，所述网条(2，4，110)在操作中在罩壳(9，103)的相对侧上彼此连接，所述元件(3，30，104；3，33，103)在其相关端部在两侧上在各自共同的节点中彼此连接，并且在其长度上在所述网条(2，4，110)上可操作的，并且以预先确定的最大距离彼此间隔设置，其中，所述网条(2，4，110)及设置于其上的所述元件(3，30，104；3，33，103)与所述罩壳(9，103)通过以下方式产生有作用的连接，即，所述可承载压力的加固元件(3，30，104)可以以框架(50)上弦的形式吸收作用在所述结构元件上的相应的载荷(40，44)。

2、  根据权利要求1所述的气动结构元件，其特征在于，所述网条至少部分地由柔性抗拉的材料组成，并且在其长度两侧与罩壳的相应地相关罩壳壁连接成，其在处于工作压力下的结构元件中可操作地预张紧。

3、  根据权利要求1或2所述的气动结构元件，其特征在于，所述可承载压力的加固元件设计成至少部分成柔性，并且在其长度上固定地这样设置在所述网条上，即，其处于操作压力下的结构元件中，以框架下弦的形式处于可操作的位置。

4、  根据权利要求1或2所述的气动结构元件，其特征在于，所述可承载拉力的加固元件设计成也可承载压力，而所述可承载压力的加固元件设计成也可承载拉力。

5、  根据权利要求1至4中任一项所述的气动结构元件，其特征在于，所述可承载压力的加固元件设计成直的承载件。

6、  根据权利要求1至5中任一项所述的气动结构元件，其特征在于，优选地设有至少两个纵向延伸的空心体(1)和至少两个拉压加固元件(3)，所述至少两个纵向延伸的空心体(1)包括由柔性材料制成的气密罩壳(9)，所述至少两个拉压加固元件(3)在两端在节点(14)中彼此连接并基本上在其整个长度上与所述罩壳(9)相连接，且其中
-由抗拉材料制成的网条(4)设置在每两个彼此在节点(14)处相联的拉-压元件(3)之间，并基本上在其整个长度上与所述两个拉-压元件(3)抗拉地连接成，在将压缩空气注入所述空心体(1)时，所述罩壳的应力传递到所述拉-压元件(3)和所述网条(4)上，而所述网条(4)由此被预张紧。

7、  根据权利要求1至5中任一项所述的气动结构元件，其特征在于，至少一个所述拉-压元件(3)由两个彼此利用螺旋方式连接的C形轮廓构成，
-设有压缝条(10)以用于所述至少一个拉-压元件(3)，所述压缝条(10)被所述罩壳(9)的材料包围，并且设置在所述拉-压元件(3)的外侧，
-所述网条(4)在所述至少一个拉-压元件(3)的两个C形轮廓之间通过螺旋式连接方式夹紧。

8、  根据权利要求1至5中任一项所述的气动结构元件，其特征在于，至少一个所述拉-压元件(3)由型棒组成，其具有三个凹槽以用于各压缝条(10)，其中，两个用于压缝条(10)的凹槽设置在侧面，第三个用于压缝条(10)的凹槽设置在中间，
-所述罩壳(9)通过侧面的压缝条(10)夹紧，而所述网条(4)通过中间的压缝条(10)夹紧。

9、  根据权利要求1至5中任一项所述的气动结构元件，其特征在于，至少一个所述拉-压元件(3)由带合适截面惯性矩的型棒组成，
-每个型棒都插入到沿着所述拉-压元件(3)设置的袋状物(11)中，
-所述空心体(1)的所述罩壳(9)与所述袋状物(11)气密地连接，
-所述网条(4)与所述袋状物(11)同样连接，
-罩壳(9)及网条(4)与袋状物(11)之间的连接通过后续带有密封程序的焊接或粘贴或缝纫的方式来产生。

10、  根据权利要求1至9中任一项所述的气动结构元件，其特征在于，设有器件，以使至少一对彼此相关的拉-压元件(3)从空心体(1)中气密地引出，且其中
-这些彼此相关的元件(3)的节点(14)设置在所述空心体(1)外部。

11、  根据权利要求1至10中任一项所述的气动结构元件，其特征在于，至少存在一定数量的拉-压元件(3)，
-相对外部气密的空心体(1)各自插入在两对相邻的拉-压元件(3)之间，并与所述拉-压元件(3)连接，
-两个最外面的拉-压元件(3)各自承载有不成对的空心体(1)，以使所述网条(4)的预张紧对称，并使它们在侧面上稳定。

12、  根据权利要求1至5中任一项所述的气动结构元件，其特征在于，从所述空心体(1)引出的节点(14)设置并固定在支座(15)上。

13、  根据权利要求1至5中任一项所述的气动结构元件，其特征在于，设有一定数量彼此相关的拉-压元件(3)，并且它们设置成两组，这两组相互交叉，由此形成平面承载结构(16)，
-所述气密的空心体(1)同样设置并布置成彼此交叉的两组，
-所述空心体(1)彼此之间气密地连接，并与拉-压元件(3)气密地连接，
-所述网条(4)在张紧它的两拉-压元件(3)之间延伸。

14、  根据权利要求13所述的气动结构元件，其特征在于，所述平面承载结构(16)具有合适的空气动力学外形，因此可以用作翼形轮廓(17)。

15、  根据权利要求14所述的气动结构元件，其特征在于，所述拉-压元件(3)上设置有附件，用于优化所述翼形轮廓(17)的前缘和/或后缘(18，19)。

16、  一种用于建筑物的顶部或底部，其中，所述建筑物带有彼此相邻设置的、根据权利要求1至13中的任一项所述的结构元件。

气动结构元件
本发明涉及一种根据权利要求1前序部分所述的气动结构元件。
那些通常的横梁类型的气动结构元件和那些带有平面形状的空气动力结构在最近几年已经众所周知。其大多数可以追溯到EP01903559(D1)。所述发明的进一步扩展在WO2005/007991(D2)中可以找到。在此，压杆进一步发展为一对弧形的压杆，其可以吸收拉力，并被称为拉/压部件。这些压杆沿着空气动力空心体雪茄形的包络线设置。D2被认为是最近的背景技术。
承受压力的拉/压部件的弯曲刚度显著提高基于以下原因，根据D2被使用的压杆被认为是在其整个长度上都分布有弹性的杆，在这种杆上具有实际上分布的弹性，其每一个都具有弹性刚度(Federhaerte)k。
弹簧强度通过下式确定
k＝π·p
其中
k＝实际弹簧刚度[N/m²]
p＝空心体内的压力[N/m²]
由此得出屈曲载荷F_k
F k = 2 k · E · I [ N ] ]]>
E＝E模量[N/m²]
I＝截面惯性矩(Flaechentraegheitsmoment)[m⁴]
本发明的目的在于提供一种带有拉/压元件和纵向延伸的气密空心体的气动结构元件，其形成为弧形和/或平面的形状并且可以膨胀，相对于背景技术中熟知的空气动力承载件和结构元件具有显著提高了的屈曲载荷F_K。
除了以上目的之外应提供一种带空心体的气动结构元件，其设计不依赖于通过静态实际限制的拉-压元件的形状，特别是不依赖于拉伸元件的形状。
同样，除了以上目的之外应提供一种气动结构元件，其在操作载荷下具有较小的变形，这与背景技术中气动结构元件的情况相同。
实现本发明目的方案的相关主要特征在权利要求1的特征部分再次给出，相关的其它有利特征在以下的权利要求中给出。
对本发明的对象将根据附图作详细的描述。其中：
图1显示的是根据本发明的气动结构元件第一实施例的俯视图，
图2显示的是图1中实施例的纵向截面BB，
图3显示的是图1中带作用力的实施例的截面AA，
图4显示的是带拉-压元件实施例的截面AA，
图5显示的是通过拉-压元件第一实施例的详细截面图，
图6显示的通过拉-压元件第二实施例的截面图，
图7显示的通过拉-压元件第三实施例的截面图，
图8显示的是节点元件的侧视图，
图9显示的是气动结构元件平卧构造(flaechige Ausbildung)的等轴视图，
图10显示的是根据本发明的气动结构元件的等轴视图，
图11显示的是空气动力学的翼形轮廓的等轴视图，
图12显示的是又一空气动力学结构元件实施例的俯视图，
图13显示的是气动结构元件平卧构造的第二实施例等轴视图。
图1显示的是根据本发明的气动结构元件第一个实施例的俯视图。其由两个纵向延伸且带有罩壳9和两个端盖5的雪茄形气密空心体1构成，其中空心体各具有一条中心直线。图2的描述中包括了空心体1的其它形状。
罩壳9例如由纺织塑料薄膜或柔性塑料涂层布组成。如图2所示，空心体1在截面2处切成两段(抽象几何)，该截面在图1中描述为通过截面BB。如果两个空心体1充满压缩空气，在以下的描述条件中则显示为图4中形状的截面AA。通过空心体1内的压强p在罩壳9内形成线性应力，其通过以下给出，
σ＝p·R
σ＝线性应力[N/m]
p＝压强[N/m²]
R＝空心体1的半径[m]
截面2中，两个空心体1的交截面处，嵌入了例如织物网条(Steg)4，如图3中描述，两个空心体1的线性力传递到织物网条上。重要的是网条4的抗拉强度。根据本发明，考虑到该原因，当然也可以使用其它的材料，优选地采用薄膜形式。
一种与图1和2中基本相似的构造，当然也可以是单一的空心体，其通过两个相互连接的拉-压元件3和网条4纵向束紧在一起，由此表现为如图1至图3所示的相同的线性应力关系。图4非强制地允许这两种认为方式。然而两个端盖5则转换为单个端盖5。
图3显示了网条4中的线性应力σ相对于线性力的矢量增量。
f → = σ → l + σ → r ]]>
其中，
＝网条4中的线性力
＝左侧空心体1中的线性应力
＝右侧空心体1中的线性应力
的绝对大小在相同的压强p和相同的半径R时取决于两个空心体1的相割圆的切割角。
为了吸收这样构造的气动结构元件的拉力和压力，网条4在拉-压元件3中被夹紧，其具有图2中描述的形状。拉-压元件3承受了上述线性力的通过矢量增量所确定的部分，因此在通过矢量给出的方向上被预张紧。通过向空心体1中注入压缩空气而产生网条4的预张紧力，并由线性力的式子计算出。线性力还描述了由罩壳施加到网条的力的合力，其在图3中用σ标记。沿着结构元件的半径一般不是常量，所以预张紧力沿着结构元件也发生变化。通过合理选择罩壳圆周和网条高度，可以根据空气动力元件的使用而优化网条的预张紧力。
预张紧引起拉-压元件3产生类似于预张紧弹簧的性能，其在预张紧力超出时反应为长度方向的变化。当预张紧力超出时将出现拉-压元件3突然断裂的危险。通过拉-压元件3柔性支座所显示的方式，在根据本发明的气动结构元件中，弹性常数k——其与D2中所知的不同——由网条的弹性来确定：
K＝E，
其中，
E＝网条的弹性模量[N/m²].
网条的弹性模量通过材料确定。织物网条的弹性模量位于108N/m²的范围内。典型的内部压强值p为104N/m²(100mBar)。通过引入网条，弹性刚度提高了数个数量级，而对应地，屈曲载荷也是如此。
在根据本发明的气动结构元件中，压缩空气被用于柔性网条的预张紧，这样网条可以传递拉力和压力，同时压力部件相对纵向弯曲优化稳定。因此气动结构元件变得更稳定且更轻，同时可以更好地承受局部的载荷。进一步地通过网条4可以实现复杂的三维气动结构元件，例如翼状，其通过拉-压元件3的结合，比传动的空气动力结构具有显著更好的承载能力。
拉-压元件3在侧面通过线性应力σ固定在罩壳9内。
贯穿结构元件的网条4与压力元件3一起形成处于张紧状态下的承载件，用于承载作用在承载件上的、与张紧方向相反的载荷。同样地，网条4与拉-压元件3可以在下文作为框架而说明。
在载荷作用于拉-压元件3其中之一时，例如在载荷方向(箭头40)作用于作为可承载压力的加固元件30而设计的压力元件上，参见图2b，元件30起到了框架50上弦的功能，同时作为可承载拉力的元件33设计的拉-压元件起到了下弦的功能。因此，框架50由网条4、可承载压力的加固元件30和可承载拉力的加固元件33组成。
通过箭头40标记的载荷一般是分布在元件30长度上的载荷。为了避免局部突然断裂，同样在可能的局部载荷情况下，元件30必须设计成具有相应的刚性。
如所提及，网条4通过结构元件内充满的内部压力以线性力相应的力预张紧。可承载压力的加固元件30在载荷40的工作方向受载偏移。如果分布载荷保持在线性力之下，偏移就较小(始终出于预张紧的网条4的相应E模量)。如果超过线性力则偏移变大，存在框架50超载的危险。
在载荷低于线性力时的变形比背景技术中的气动结构元件中的情况要低。如果运行载荷不超过线性力首先在非恒定载荷时，根据本发明的结构元件将不发生变形。
如果可承载压力的加固元件30和可承载拉力的连接元件33相似设置，例如作为承载件，如图4至8中所描述，那么框架50具有对称性，其结果是，引入载荷44产生相同的关系：加固元件33是可承载压力的，用作框架50的上弦，加固元件30是可承载拉力的，用作下弦。承载能力由两侧(载荷40和载荷44)给定。
在进一步的根据本发明的实施例中，可承载拉力的加固元件33只设计成可承载拉力，例如作为柔性的受拉部件，其描述为绳索形式。
框架50的承载能力只是单侧的，在此通过载荷40给出。对于框架50功能所必须的并且预先确定的加固元件30、33(拉压部件3)之间的间距，通过内部压强p确保，其通过线性力在工作状态良好时，例如如图4中描述的方式对柔性网条4预张紧。这种实施例的特征在于较轻的重量，如已提及，适合于单侧的载荷(载荷40)。
根据本发明，网条4和其上设置的元件(在图2b实施例中的拉压部件3以及可承载压力的加固元件30和可承载拉力的加固元件33)与罩壳9形成有作用的连接(Wirkverbind)，也就是说连接成可以传递力，可承载压力的加固元件以上弦的方式可以承载相应(下弦作用的方向)的作用在结构元件上的载荷。因此不能确定，作用在加固元件30，33上的载荷(40，44)直接作用在元件30，33上或者通过罩壳9(图4)传递到元件30，33上。最后可以想象，根据图13的顶盖可以承载雪荷载或者根据图10和图11的翼形。同样可以想象，载荷直接作用在网条4并且通过其传递到元件30，33上，为了描述本发明，其同样可以理解为直接作用在元件30，33上的载荷。
如果线性力超过载荷40，框架50相应地变形，但是仍承载载荷40，44直到可承载压力的元件30突然断裂或由于压力破裂，或者可承载拉力的元件33被撕破。因此前提是，元件30，33彼此保持在其相对位置，该相对位置对于框架50的承载特性是标准的。该相对位置通过基于线性力作用在网条4上的预张紧力来确保。因此，除了以上提及的元件30，33的机械负荷性，产生了作为第二边界条件的用于最大载荷40的框架50的许可变形，只要网条4的预张紧力存在，就给出该许可变形。最终取决于内部压强p。
根据本发明，气动结构元件的载荷特性与气动结构元件一起，显著地使其元件30，33具有相对较小且尽可能小的重量。此外，优化的传统框架具备了特性(负荷能力、重量)，但同时为了对传统的框架进行优化也带来了显著的消耗(规划、制作和成本)。
根据本发明的结构元件的又一优选实施例描述在图2c中。
图中显示了气动结构元件100，其通过网条110以双圆柱体的形式构成两个圆柱形截面。罩壳103(由柔性气密的材料组成)与作为带直线、可承载压力的承载件104设计的可承载压力元件，在工作状态良好时通过网条110相联，其方式如图4至图7中所示。网条110沿着其另一纵向侧111与罩壳103，例如通过焊接或通过气密的缝纫相连接。内部压强p将被描述的由柔性材料组成的网条110撑紧为长方形。
在网条110中设置了可承载拉力的柔性受拉部件，例如钢丝绳113，其通过网条上的连接114静止固定在工作状态良好的位置。因此，形成了框架120，其由绳索113、承载件104和网条110构成，其通过预张紧力(线性力)确保了框架元件在工作状态良好的位置。
连接部114可以设计为贯穿通过网条110的鱼尾板(Flasche)，或者通过其它合适、专业的方式设置。
通过这种布局可以实现罩壳的外部形式不依赖于框架120元件的布局而设置，可以取消根据图1和图2的类似于主轴的形状。
在本发明的范围内，网条10和可承载压力的加固元件113设计成部分刚性部分柔性，例如，其可以使受拉元件113更好地固定到网条110或用于其它目的。
同样除了双圆柱形状外，在根据本发明的实施例中也可以设置其它的任意的罩壳103形式。
图2d显示了根据本发明的结构元件的另一实施例，其中描述的部件和图2c中一样具有相同的参考标记。承载件104在网条110中向下偏移设置，与罩壳103不再直接但是仍保持连接。此外，承载件104弯曲地设置。专业人员可以根据使用情况自由确定承载件104的许可曲率，边界条件是，承载件104在通过其整个长度上保持在框架(承载件104，网条110和受拉元件113)的压力区中。该实施例的承载特性与图2c中各实施例相同。
图4是根据图1的截面AA，根据图3描述的技术上的实施形式。拉-压元件3在此由两个相互螺纹连接的C形轮廓组成。空心体1的罩壳9在C形轮廓8之间连续地贯穿拉长，并在拉-压元件3外部通过压缝条(Keder)10加固。网条4嵌入到罩壳9位于外部之间的位置，并通过C形轮廓8的螺纹连接紧固。
图5详细显示了通过如上设置的拉-压元件3的截面。
图6中描述了拉-压元件一种实施类型的截面。拉-压元件3在此具有3个凹槽。两个空心体1的罩壳9通过压缝条10插入上面的两个凹槽，网条4插入下面的凹槽。
图7显示了拉-压元件3在安装时的又一截面。拉-压元件3在此具有例如长方形截面，而为了优化截面惯性矩也可以设置其它的形状。其被插入到袋状物11中，与罩壳9通过焊接或缝纫最终密封连接。
如图8所示，拉-压元件3在其末端通过节点14聚集。这种节点14可以设置成各种形式，这在结构力学中是熟知的。其在此由平板13组成，例如，与拉-压元件3通过螺纹拧紧。罩壳9的气密闭合同样可以通过很多方式完成。主要的是，拉-压元件3从罩壳9中引出，同时节点14自由地位于例如支座上，用于合适的固定。
图9是根据本发明的气动结构元件平卧构造的等轴视图。在此设置了一定数量的拉-压元件3，每一个中都嵌入了根据图2的网条4。在两个邻接的拉-压元件3之间各固定了一个空心体1，并且其中充满压缩空气。在两个最外端设置的拉-压元件3处各自有未配对的空心体1闭合，为了产生拉-压元件3的预张紧力和为了使拉-压元件3变侧固定。对于这种平卧式结构元件的安装可以如此进行，即，所有的拉-压元件3和空心体1的罩壳9先装配完成，整个描述的结构铺设在支座15上，而最后注入压缩气体。或者，安装可以现场进行，拉-压元件3固定在支座上，接着拉-压元件3附装到罩壳9上。
在图10的描述中，两组拉-压元件3交叉设置，例如在两个相互垂直的轴向，形成具有较高抗弯刚度的平面承载结构16。在拉-压元件3彼此交叉区域的气密终端同样可以通过例如压缝条来实现，当然在此也存在其它的各种方案。
实际中根据图10的平面承载结构16的扩展具有以下优点，单个的拉-压元件3优选地可以抗倾斜地稳固，同时在支座上不会引起力矩。
图10之后的图11显示了根据本发明的翼形轮廓17。根据图10，两组拉-压元件3交叉设置。两组中的拉-压元件3的数量——在此两个在一个方向，八个在另一方向——可以与翼形轮廓17的要求相适应。同样拉-压元件3的外形一般来说是可变的，除了这种轮廓的静态设置，也可以设置与前缘(Anstroemkante)和后缘(Abstroemkante)18，19相应的空气动力学形式，其在大多数情况下带有轮廓附件，其在空气动力学中是有效的，但其从平面支承结构的特性来讲不是翼形轮廓17的静态部件。
在根据图12的实施例中，空心体1的中线L不是根据图1中的实施例一样为直线，而是从空心体1的截面2出发向外弯曲。两个空心体1——在根据图2的截面中彼此截断，其形状保持不变——在根据图1的截面AA处具有最小的直径。然而在空心体1的末端处增加。因此与局部半径R成比例的线性应力σ也增加。从而传递到网条4上的线性力可以提高——或者一般来说——可以被优化。作为对空心体1上到末端增加的局部半径的替换，其当然也可以保持不变，或者也可以选择减小。在最后一种情况中，相对于空心体1的线性力和相对于网条4的线性力都减小。相对于图2中所显示的，其可以通过中线L实现空心体1相对于截面2弯曲。其同样也使用于带有不变半径的空心体1，也就是几何上的环形。
图13描述了本发明设想的另一实施例。在此一定数量(在图13中例如为5个)的空心体1设置在另一较少数量的拉-压元件上。其再次承载了网条4并从空心体1中气密地引出。拉-压元件可以选择成不同的形式，不仅是其长度、高度上的，也可以是其方向上的。如图9中设置，每个在最外端的拉-压元件3上固定的空心体附加在其上，用于上述两个最外端的拉-压元件3和其网条的线性应力对称，同时用于其侧面的固定。