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1. WO2020109127 - EMBOUT D'EXTRÉMITÉ

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[ DE ]

Endboden

Die Erfindung betrifft einen gewichtsoptimierten Endboden.

Ein Endboden schließt ein Rohr ab. Viele Lagertanks oder chemischen Reaktoren weisen Endböden auf. Oftmals sind diese Endböden in Form von Klöpperböden realisiert, wie diese zum Beispiel in der DIN 28011 beschrieben sind. Ein Klöpperböden weist zwei verschiedene Krümmungsradien auf, einen großen Radius im mittleren Bereich und im Randbereich einen um Faktor 10 geringeren Radius. Es gibt aber auch andere Endböden, beispielsweise Korbbogenböden nach DIN 28013 oder elliptisch geformte Endböden.

Auch wenn diese Konstruktionen zu stabilen Endböden führen, haben diese dennoch ein vergleichsweise hohes Gewicht, insbesondere wenn diese Endböden einem hohen Druck standhalten müssen.

Zusätzlich reduzieren diese Endböden das umschlossene Volumen gerade im Randbereich und reduzieren so auch die Zugänglichkeit.

Diese Probleme treten bei einer militärischen Anwendung, beispielsweise im Bereich eines Rohres in einem Unterseeboot auf. Hier kommen zu den normalen Druckbelastungen noch die Anforderungen für den Schockfall hinzu, die extrem große Belastungen bedeuten. Zur Erfüllung der Schockfestigkeit werden Konstruktionen daher regelmäßig vergleichsweise kräftig ausgelegt.

Zur weiteren Optimierung wird beispielsweise auf Bionik zurückgegriffen. Derartige Verfahren sind beispielsweise aus der DIN ISO 18459 bekannt. Insbesondere sei hier die Methode der Zugdreiecke mit einem Verfahren zur Verrundung der Kontur genannt. Hierbei wird zunächst ein erstes Dreieck mit einem Winkel von 45° konstruiert. Von dessen Mittelpunkt aus wird ein Kreis mit dem Mittelpunkt im Schnittpunkt des ersten Dreiecks mit der Wand konstruiert und eine Verbindung zwischen dem Mittelpunkt des ersten Dreiecks und dem Schnittpunkt des Kreises mit der Wand konstruiert. Anschließend wird vom Mittelpunkt des so entstehenden zweiten Dreiecks aus erneut ein drittes Dreieck konstruiert. Anschließend wird die sich aus diesen drei Dreiecken ergebende Konstruktion verrundet.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Endboden zu schaffen, der aufgrund seiner Stabilität mit einer geringeren Wandstärke auskommt und damit leichter bei gleicher Druckfestigkeit ist.

Außerdem besteht regelmäßig die Aufgabe, gerade im Bereich eines Endbodens Zu oder Abgänge zu realisieren, also Öffnungen, durch welche Material hinzugefügt oder entnommen werden kann oder aber auch Steuerungsleitungen ins Innere des Rohrs verlegt werden können. Außerdem können solche Zu- oder Abgänge auch zu Reinigungs- und/oder Wartungszwecken genutzt werden.

Gelöst wird diese Aufgabe durch das Verfahren mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen sowie durch den Endboden mit den in Anspruch 4 angegebenen Merkmalen. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen, der nachfolgenden Beschreibung sowie den Zeichnungen.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Festlegung eines Querschnitts eines Endbodens geht von einem Rohr und einem zur Längsachse des Rohres rechtwinkligen flachen Boden aus, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:

a) Konstruieren eines ersten Dreiecks, wobei zwischen der ersten Tangente und der Rohrwand ein Winkel von 46 ° bis 60 °, bevorzugt 48 ° bis 55 °, ausgewählt wird b) Konstruieren eines zweiten Dreiecks, wobei die zweite Tangente des zweiten Dreiecks durch die Schnittpunkte eines zweiten Kreises mit dem flachen Boden und der ersten Tangente konstruiert wird, wobei der zweite Kreis den Schnittpunkt zwischen der ersten Tangente und dem flachen Boden als Mittelpunkt und die halbe Länge der ersten Tangente als Radius des zweiten Kreises aufweist, c) Konstruieren eines dritten Dreiecks, wobei die dritte Tangente des dritten Dreiecks durch die Schnittpunkte eines dritten Kreises mit dem flachen Boden und der zweiten Tangente konstruiert wird, wobei der dritte Kreis den Schnittpunkt zwischen der zweiten Tangente und dem flachen Boden als Mittelpunkt und die halbe Länge der zweiten Tangente als Radius des dritten Kreises aufweist,

d) Abrunden der sich aus den drei Tangenten ergebenden Verlaufs, wobei zum Abrunden drei unterschiedliche Radien verwendet werden, wobei zunächst e) in einem zweiten Bereich ein Teil der ersten Tangente, die zweite Tangente und ein Teil der dritten Tangente abgerundet wird, wobei der sich durch die Abrundung ergebende zweite Kreisausschnitt mit einem zweiten Krümmungsradius an dem Schnittpunkt mit der ersten Tangente die gleiche Steigung wie die erste Tangente aufweist, wobei der sich durch die Abrundung ergebende zweite Kreisausschnitt mit einem zweiten Krümmungsradius an dem Schnittpunkt mit der dritten Tangente die gleiche Steigung wie die dritte Tangente aufweist,

f) in einem ersten Bereich zwischen dem Schnittpunkt der Abrundung im zweiten Bereich und der ersten Tangente sowie dem Rohr mit einem ersten Krümmungsradius, wobei der sich durch die Abrundung ergebende erste Kreisausschnitt mit dem ersten Krümmungsradius an dem Schnittpunkt mit der ersten Tangente die gleiche Steigung wie die erste Tangente aufweist, wobei der sich durch die Abrundung ergebende erste Kreisausschnitt mit dem ersten Krümmungsradius an dem Schnittpunkt mit dem Rohr die gleiche Steigung wie das Rohr aufweist,

g) in einem dritten Bereich zwischen dem Schnittpunkt der Abrundung im zweiten Bereich und der dritten Tangente sowie dem Mittelpunkt desflachen Boden mit einem dritten Krümmungsradius, wobei der sich durch die Abrundung ergebende dritte Kreisausschnitt mit dem dritten Krümmungsradius an dem Schnittpunkt mit der dritten Tangente die gleiche Steigung wie die dritte Tangente aufweist, wobei der sich durch die Abrundung ergebende dritte Kreisausschnitt mit dem dritten Krümmungsradius am Mittelpunkt des Endbodens die gleiche Steigung wie der flache Boden aufweist,

h) wobei der Endboden ausgehend von dem konstruierten Verlauf mit konstanter Materialdicke konstruiert wird.

Der zur Längsachse des Rohres rechtwinklige flache Boden ist kein realer Boden, dieser dient lediglich als theoretischer Ausgangspunkt. Der flache Boden entspricht bei einem runden Querschnitt der Kreisfläche an der Unter- beziehungsweise Oberseite des Zylinders. Der flache Boden muss rechtwinklig zum Rohr sein, damit der Mittelpunkt des Endpunkts genau diese Steigung aufweist und somit jede Hälfte des Endbodens genau 90 ° umfasst.

Ein Rohr im Sinne der Erfindung ist ein Körper, welche eine Längsrichtung und eine in Längsrichtung außen laufende Wandung aufweist. Bevorzugt weist ein Rohr einen ovalen, insbesondere einen runden (kreisförmigen) oder einen elliptischen, Querschnitt auf. Der Querschnitt muss nicht über die gesamte Länge des Rohrs konstant sein. Beispielsweise kann der Durchmesser eines runden Querschnitts mit der Länge variiert werden. Ein Rohr mit rundem Querschnitt wird auch als Mantelfläche eines Zylinders bezeichnet. Ein Rohr mit einem elliptischen Querschnitt wird auch als Mantelfläche eines elliptischen Zylinders bezeichnet.

Bevorzugt weist das Rohr und somit der Endboden eine Rotationssymmetrie und/oder Spiegelsymmetrie auf. Daher ist es ausreichend, eine Hälfte des Querschnitts zu berechnen. Die gegenüberliegende Seite ergibt sich durch Spiegelung an der Symmetrieachse beziehungsweise dem Symmetriepunkt.

Weist das Rohr und somit der Endboden einen ovalen, aber nicht runden Querschnitt auf, so kann beispielsweise der Endboden nur in einer begrenzten Anzahl an Querschnitten durch das Verfahren festgelegt werden. Um Rechenaufwand zu verringern wird zwischen diesen berechneten Verläufen der Lauf des Endbodens interpoliert. Beispielsweise werden nur vier Halbquerschnitte entsprechend berechnet, welche jeweils rechtwinklig zueinander angeordnet sind.

Vorteil des so konstruierten Endbodens ist ein um 1 ,4 % gesenktes Gewicht bei einer 23 %igen Spannungsreduktion bei einem Winkel von 54 °. Somit kann bei gleicher Spannungsfestigkeit die Wandstärke weiter reduziert werden, wodurch weiteres Gewicht reduziert werden kann. Zusätzlich ist durch den steileren Anfangswinkel das Innenvolumen vergrößert.

Das dargestellte Verfahren führt zu einer Endbodenform, die sich nicht durch eine einfache Ellipsengleichung oder Kreisgleichung darstellen lässt.

Der Endboden kann beispielsweise und insbesondere zur Erzeugung von Lager-, Reaktions- und Druckbehältern für gasförmige und flüssige Stoffe verwendet werden. Besonders bevorzugt kann der Endboden zur Erzeugung von Rohren, welche durch einen Druckkörper durchgeführt werden, verwendet werden, beispielsweise und insbesondere zur Verwendung in Unterseebooten.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist das Rohr an beiden Enden durch einen erfindungsgemäßen Endboden verschlossen.

In einer alternativen Ausführungsform ist das Rohr an einem Ende durch einen erfindungsgemäßen Endboden verschlossen und weist am anderen Ende einen öffenbaren Deckel auf.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird in Schritt a) der Winkel zwischen der ersten Tangente und der Rohrwand zwischen 51 ° und 57 ° ausgewählt.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird in Schritt a) der Winkel zwischen der ersten Tangente und der Rohrwand zwischen 53 ° und 55 ° ausgewählt.

In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung einen Endboden, wobei der Endboden in einem ersten Bereich einen ersten Krümmungsradius, in einem zweiten Bereich einen zweiten Krümmungsradius und in einem dritten Bereich einen dritten Krümmungsradius aufweist. Das dem zweiten Bereich abgewandte Ende des ersten Bereichs grenzt an das Rohr, das dem zweiten Bereich abgewandte Ende des dritten Bereichs weist den zum Rohr orthogonalen Bereich auf und der zweite Bereich ist zwischen dem ersten Bereich und dem dritten Bereich angeordnet. Der erste Krümmungsradius, der zweite Krümmungsradius und der dritte Krümmungsradius wurden nach dem erfindungsgemäßen Verfahren konstruiert.

In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein Wasserfahrzeug mit einem Rohr und einem erfindungsgemäßen Endboden. Bevorzugt ist das Wasserfahrzeug ein Unterseeboot.

Selbstverständlich kann der erfindungsgemäße Endboden auch in anderen Bereichen, beispielsweise in Lagertanks oder chemischen Reaktoren eingesetzt werden.

Nachfolgend ist das erfindungsgemäße Verfahren und der Endboden anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.

Fig. 1 Verfahren zur Festlegung eines Querschnitts

Die Figuren zeigen die Festlegung eines Querschnitts nur schematisch und nicht exakt und maßstäblich.

In Fig. 1 ist das Verfahren schrittweise gezeigt. In Fig. 1 a beginnt man mit dem Rohr 10 und dem flachen Boden 20. Es wird eine erste Tangente 30 mit einem Winkel von 54 ° hineingelegt, wie in Fig. 1 b gezeigt. Als nächstes wird der Mittelpunkt der ersten Tangente 30 identifiziert und ein Kreis vom Schnittpunkt der ersten Tangente 30 mit dem flachen Boden 20 mit dem Radius vom Schnittpunkt der ersten Tangente 30 mit dem flachen Boden 20 bis zum Mittelpunkt der ersten Tangente 30 konstruiert. Aus dem Schnittpunkt dieses Kreises mit dem flachen Boden 20 und der ersten Tangente 30 ergibt sich die zweite Tangente 40 in Fig. 1d. Analog wird in Fig. 1e ein weiterer Kreis konstruiert, aus dessen Schnittpunkten sich die dritte Tangente 50 ergibt. Zur Abrundung ergibt sich nun ein zweiter Bereich 100, welcher an einen ersten Bereich 90 und einen dritten Bereich 110 angrenzt. In Fig. 1f ist auch die Rotationsachse des Rohrs beziehungsweise die Mittelachse 80 gezeigt. Der Übergang erster Bereich zu zweiter Bereich 60 und der Übergang zweiter Bereich zu dritter Bereich 70 ergeben sich aus den Punkten, an welchen die Abrundung tangential auf die erste Tangente 30 und die dritte Tangente 50 trifft. Hierdurch ergibt sich dann der konstruierte Verlauf 120, welcher an der Mittelachse 80 tangential zum flachen Boden 20 verläuft. Fig. 1 h zeigt nur noch den konstruierten Verlauf 120 ohne die Festlegung eines Querschnitts durch die drei Dreiecke. Unter Berücksichtigung der Wandstärke ergibt sich in Fig. 1 i der Endboden, welcher durch Rotation um die Rotationsachse des Rohres 80 in allen drei Dimensionen gebildet werden kann.

Bezugszeichen

10 Rohr

20 flacher Boden

30 erste Tangente

40 zweite Tangente

50 dritte Tangente

60 Übergang erster Bereich zu zweiter Bereich

70 Übergang zweiter Bereich zu dritter Bereich

80 Rotationsachse des Rohrs, Mittelachse

90 erster Bereich

100 zweite Bereich

1 10 dritte Bereich

120 konstruierter Verlauf