Мембранная конструкция (варианты)
Изобретение относится к строительным конструкциям общего назначения. Мембранная конструкция содержит воздухонепроницаемую баростойкую газовую оболочку и устройство для сохранения ее формы, которое сохраняет газовую оболочку в заданной форме при ее полностью наполненном состоянии. Газовая оболочка содержит совокупность веретенообразных клиньев, выполненных из воздухонепроницаемого мембранного материала. Соседние клинья соединены вместе по краям. Упрочняющие канаты прикреплены к соединенным секциям краев и проходят вдоль краев. Каждый клин выступает в наружном направлении между двумя соседними упрочняющими канатами, проходящими вдоль краев клина, не удлиняя воздухонепроницаемый мембранный материал при полностью наполненном состоянии газовой оболочки. Технический результат – снижение веса конструкции. 2 н. и 4 з.п. ф-лы, 11 ил.
Изобретение относится к мембранной конструкции, в частности к мембранной конструкции, используемой для дирижабля, или к наземной мембранной конструкции.
Обычно нежесткий дирижабль, имеющий газовую оболочку из мембранного материала вместо наружной обшивки из твердого материала, такого как легкий металл, делают более легковесным за счет упрочнения мембранного материала. Но если дирижабль летает на больших высотах, где давление на мембранный материал незначительно, то на газовую оболочку воздействует значительное растягивающее усилие. Поскольку мембранный материал должен обладать прочностью, выдерживающей это растягивающее усилие, поэтому уменьшить вес газовой оболочки трудно. И поэтому трудно уменьшить вес мембранной конструкции.
В качестве наземных мембранных конструкций известны конструкции, форму которых сохраняют созданием избыточного давления изнутри мембранной конструкции. Эти мембранные конструкции часто используют для простых зданий, сооружаемых на выставках или в парках аттракционов. Эти конструкции также используют для крыши крупных зданий, таких как всепогодные бейсбольные и футбольные стадионы. В этих конструкциях в мембране создают значительное растягивающее усилие, которое должно сохранять определенную форму, противодействуя весу самой мембраны и таким усилиям, как сила ветра. Поэтому наземная мембранная конструкция должна иметь мембрану, упругую на продольный разрыв.
Помимо этого, изучены летающие объекты, которые размещают устройства наблюдения или связи в заданных положениях для научных наблюдений или для связи в стратосфере на высотах 20-40 км. Для этих целей известно применение шаров-зондов сверхдавления в качестве мембранной конструкции. Шар-зонд сверхдавления имеет газовую оболочку, выдерживающую внутреннее давление. Даже когда шар-зонд достигает максимального давления, газ, создающий подъемную силу для набора высоты, не выпускают. Шар-зонд непрерывно поднимается, при этом сохраняя одинаковое внутреннее давление газа. С уменьшением плотности воздуха снижается подъемная сила. Затем шар-зонд летит горизонтально на заданной высоте.
Поскольку шар-зонд сверхдавления имеет плоскую сферическую форму, сопротивление воздуха высокое. Поэтому шар-зонд сверхдавления не может оставаться в заданном положении из-за воздушных течений.
Известна мембранная конструкция, содержащая воздухонепроницаемую баростойкую газовую оболочку, включающую множество веретенообразных клиньев, выполненных из воздухонепроницаемого мембранного материала, при этом соседние клинья соединены вместе по краям, множество упрочняющих канатов, прикрепленных к соединенным секциям краев и проходящих вдоль краев, и устройство для сохранения формы, сохраняющее газовую оболочку в заданной форме при ее полностью наполненном состоянии. Каждый клин выступает в наружном направлении между двумя соседними упрочняющими канатами, проходящими вдоль краев клина, без удлинения воздухонепроницаемого мембранного материала при полностью наполненном состоянии газовой оболочки. Каждый выступающий клин имеет радиус кривизны в направлении, пересекающем два соседних упрочняющих каната, который меньше радиуса газовой оболочки, и каждый выступающий клин подвержен воздействию растягивающего усилия, направленного в направлении, пересекающем два соседних упрочняющих каната. Каждый клин имеет ширину, превышающую расстояние между двумя соседними упрочняющими канатами, прикрепленными к клину при полностью наполненном состоянии газовой оболочки. Каждый клин имеет длину, превышающую длину каждого упрочняющего каната, прикрепленного к клиньям, и укорочен за счет создания складок в клине, в результате чего длина каждого края укороченных клиньев равна длине каждого упрочняющего каната, прикрепленного к укороченным клиньям, и упрочняющие канаты прикреплены к клиньям, сохраняя складки клиньев (см., например, патент США 4265418 от 5.05.1981 г.).
Эта мембранная конструкция не может использоваться для шара-зонда сверхдавления в связи с разрывом ее газовой оболочки при высоком давлении.
Техническим результатам настоящего изобретения является создание простой, легкой и надежной мембранной конструкции, которая может применяться для шара-зонда сверх давления.
Этот технический результат достигается тем, что мембранная конструкция содержит воздухонепроницаемую баростойкую газовую оболочку, включающую множество веретенообразных клиньев, выполненных из воздухонепроницаемого мембранного материала, при этом соседние клинья соединены вместе по краям, множество упрочняющих канатов, прикрепленных к соединенным секциям краев и проходящих вдоль краев, и устройство для сохранения формы, сохраняющее газовую оболочку в заданной форме при ее полностью наполненном состоянии, при этом каждый клин выступает в наружном направлении между двумя соседними упрочняющими канатами, проходящими вдоль краев клина, без удлинения воздухонепроницаемого мембранного материала при полностью наполненном состоянии газовой оболочки, каждый выступающий клин имеет радиус кривизны в направлении, пересекающем два соседних упрочняющих каната, который меньше радиуса газовой оболочки, и каждый выступающий клин подвержен воздействию растягивающего усилия, направленного в направлении, пересекающем два соседних упрочняющих каната, каждый клин имеет ширину, превышающую расстояние между двумя соседними упрочняющими канатами, прикрепленными к клину при полностью наполненном состоянии газовой оболочки, каждый клин имеет длину, превышающую длину каждого упрочняющего каната, прикрепленного к клиньям, каждый клин укорочен за счет создания складок в клине, в результате чего длина каждого края укороченных клиньев равна длине каждого упрочняющего каната, прикрепленного к укороченным клиньям, и упрочняющие канаты прикреплены к клиньям, сохраняя складки клиньев. Согласно изобретению устройство для сохранения формы содержит нажимные части, расположенные на концах клина, к которым прикреплен упрочняющий канат, и нажимной элемент, нажимающий на нажимные части в направлении наружу из газовой оболочки для утончения газовой оболочки без удлинения мембранного материала.
Нажимной элемент может содержать балку, установленную в газовой оболочке и проходящую между концами каждого клина.
Указанный технический результат достигается и тем, что мембранная конструкция содержит воздухонепроницаемую баростойкую газовую оболочку, включающую множество веретенообразных клиньев, выполненных из воздухонепроницаемого мембранного материала, при этом соседние клинья соединены вместе по краям, множество упрочняющих канатов, прикрепленных к соединенным секциям краев и проходящих вдоль краев, и устройство для сохранения формы, сохраняющее газовую оболочку в заданной форме при ее полностью наполненном состоянии, каждый клин выступает в наружном направлении между двумя соседними упрочняющими канатами, проходящими вдоль краев клина, без удлинения воздухонепроницаемого мембранного материала при полностью наполненном состоянии газовой оболочки, каждый выступающий клин имеет радиус кривизны в направлении, пересекающем два соседних упрочняющих каната, который меньше радиуса газовой оболочки, и каждый выступающий клин подвержен воздействию растягивающего усилия, направленного в направлении, пересекающем два соседних упрочняющих каната, каждый клин имеет ширину, превышающую расстояние между двумя соседними упрочняющими канатами, прикрепленными к клину при полностью наполненном состоянии газовой оболочки, каждый клин имеет длину, превышающую длину каждого упрочняющего каната, прикрепленного к клиньям, каждый клин укорочен за счет создания складок в клине, в результате чего длина каждого края укороченных клиньев равна длине каждого упрочняющего каната, прикрепленного к укороченным клиньям, и упрочняющие канаты прикреплены к клиньям, сохраняя складки клиньев. Согласно изобретению устройство для сохранения формы содержит, по меньшей мере, один охватывающий элемент, проходящий вокруг газовой оболочки, пересекая упрочняющие канаты, и сужающий часть газовой оболочки, охваченную охватывающим элементом при полностью наполненном состоянии газовой оболочки, и формирующий, по меньшей мере, одну узкую часть.
Две части газовой оболочки, расположенные вблизи сторон узкой части, могут быть симметричными.
Устройство для сохранения формы может содержать нажимные части, расположенные на концах клина, к которым прикреплен упрочняющий канат, и нажимной элемент, нажимающий на нажимные части в направлении наружу из газовой оболочки для утончения газовой оболочки без удлинения мембранного материала.
Нажимной элемент может содержать балку, установленную в газовой оболочке и проходящую между концами каждого клина.
Другие цели и преимущества изобретения изложены в приводимом ниже описании и отчасти станут очевидными из описания либо могут быть узнаны при осуществлении изобретения. Цели и преимущества изобретения могут быть реализованы и обеспечены средствами и комбинациями, поясняемыми ниже.
Далее приводится подробное описание изобретения со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых изображено следующее:
фиг.1 - вид сбоку мембранной конструкции согласно первому варианту осуществления изобретения;
фиг.2 - схематическое изображение сечения газовой оболочки, используемой для определения Эйлеровой эластики;
фиг.3 - график кривой, характеризующей продольное сечение Эйлеровой эластики, определенное численным решением;
фиг.4 - график кривых, характеризующих сечения газовых оболочек, к которым прикреплены балки, соответственно;
фиг.5 - вид сбоку мембранной конструкции согласно модификации первого варианта осуществления изобретения;
фиг.6 - вид сбоку мембранной конструкции согласно второму варианту осуществления изобретения;
фиг.7 - схематическое изображение сечения газовой оболочки согласно второму варианту осуществления изобретения, показывающее равновесие растягивающих усилий;
фиг.8 - график кривой, характеризующей сечение газовой оболочки согласно второму варианту осуществления изобретения и выведенной с помощью численного решения;
фиг.9 - вид в перспективе мембранной конструкции согласно третьему варианту осуществления изобретения;
фиг.10 - график кривых, характеризующих сечения газовой оболочки согласно третьему варианту осуществления изобретения, выведенных с помощью численного решения;
фиг.11 - вид в перспективе мембранной конструкции, используемой для здания.
Мембранная конструкция согласно первому варианту осуществления используется для дирижабля, показано на фиг.1. Газовая оболочка 1 наполнена, например, гелием, который создает подъемную силу. Газ после наполнения не выпускают, и газовая оболочка 1 сохраняет внутреннее давление. На газовой оболочке установлены (не изображены) двигатели малой тяги, солнечные батареи для электропитания двигателей малой тяги и полезный груз, такой как устройство наблюдения.
Газовая оболочка 1 имеет множество клиньев 2, каждый из которых имеет веретенообразную форму. Каждый клин 2 имеет форму, образующуюся делением газовой оболочки 1 на N равных частей. Клинья 2 выполнены из воздухонепроницаемого мембранного материала, такого как легковесная и прочная ткань или пластмассовая пленка. Соседние клинья 2 соединены по краям. Соседние клинья 2 сшиты или скреплены по своим краям. Упрочняющие канаты 3, выдерживающие значительное растягивающее усилие, прикреплены с соединенными секциями краев и проходят вдоль краев. Канаты 3 прикреплены друг к другу - сшиты или скреплены - и повышают прочность скрепления между клиньями 2 и обеспечивают газовой оболочке 1 заданную форму. Когда газовая оболочка 1 находится в полностью наполненном состоянии, каждый из клиньев 2 выступает наружу между двумя соседними упрочняющими канатами 3, проходящими вдоль краев клина 2, без растяжения воздухонепроницаемого мембранного материала, образующего клин 2. Используемый здесь термин “полностью наполненное состояние” означает состояние, в котором разность внутреннего и наружного давлений 
Р в произвольном положении на мембранном материале равно нулю или более, и газовая оболочка 1 наполнена, при этом сохраняя равновесие между внутренним давлением, наружным давлением и растягивающим усилием газовой оболочки 1.
Мембранная конструкция имеет устройство для сохранения формы, которое сохраняет газовую оболочку 1 в заданной форме, когда газовая оболочка 1 находится в полностью наполненном состоянии. В этом варианте осуществления устройство для сохранения формы имеет нажимной элемент и нажимные части, расположенные на концах клина 2, к которым прикреплен упрочняющий канат 3. Нажимной элемент нажимает на нажимные части в направлении наружу от газовой оболочки 1 изнутри газовой оболочки 1, чтобы утончать газовую оболочку 1, при этом не удлиняя мембрану, образующую каждый клин 2. Нажимной элемент содержит балку 4, установленную в газовой оболочке 1 и проходящую между концами каждого клина 2. То есть балка 4 проходит между двумя концами 1а и 1b газовой оболочки 1. Балка 4 определяет длину газовой оболочки 1 в продольном направлении клина 2, т.е. по длине между двумя концами 1а и 1b газовой оболочки 1. Вместо балки 4 нажимной элемент может иметь киль, который используют в полужестких дирижаблях.
Ниже приводится описание газовой оболочки 1 в полностью наполненном состоянии. Для удобства приводится описание формы газовой оболочки 1, которая не имеет балок 4 и упрочняющих канатов. Когда разность Р внутреннего и наружного давлений газовой оболочки достаточно велика, газовая оболочка 1 имеет форму, аналогичную определенной форме, известной как “Эйлерова эластика” (кривая упругих деформаций при изгибе). Эта форма является центрально-симметричной, такой как сфера, сдавленная слева и справа. Форма газовой оболочки 1 создается за счет того, что оба конца 1а и 1b сдвинуты друг к другу. В том случае, когда газовая оболочка 1 имеет форму Эйлеровой эластики, и при постоянной длине меридиана (условие I), и при необходимом свободном увеличении широтной (периферической) длины (условие II), обеспечивается максимальный объем, т.е. максимальная подъемная сила. Ось, проходящая через концы 1а и 1b газовой оболочки 1, считается осью Земли. Условие II означает, что на газовой оболочке 1 образуются проходящие в меридиональном направлении складки. Поэтому в широтном направлении воздействия растягивающего усилия не будет. Растягивающее усилие, воздействующее на газовую оболочку 1 в связи с разностью давлений Р, действует в меридиональном направлении. Когда разность давлений Р достаточно велика, вес и подъемная сила образующего газовую оболочку 1 мембранного материала будут влиять на форму газовой оболочки 1 незначительно.
Эйлерову эластику можно определить следующим образом. Фиг.2 схематически изображает сечение газовой оболочки 1. На фиг.1 ось, проходящая через концы 1а и 1b газовой оболочки 1, направлена от одной стороны к другой. На фиг.2 эта ось параллельна оси Y.
Форма газовой оболочки 1 является центрально-симметричной. Далее следует описание формы на стороне Северного Полюса, рассматриваемой из плоскости симметрии или экваториальной плоскости, т.е. - формы северного полушария. Пусть х0 является радиусом экватора. Поскольку растягивающее усилие действует только в меридиональном направлении, полная сумма m растягивающих усилий вдоль экватора будет произведением площади сечения S, ограничиваемого экватором, и разности давлений Р.
Растягивающее усилие То на экваторе и растягивающее усилие Т в любой данной точке (х, у) на газовой оболочке 1 определяются соответственно уравнениями (2) и (3)
Радиус кривизны газовой оболочки 1
где L - длина меридиана, dL - длина бесконечно малого участка на меридиане и 
m - угол наклона этого участка.
Дифференциальное уравнение (4) решается численным решением. Затем, начиная с экватора, последовательно определяют форму каждого указанного участка. Здесь исходное условие заключается в том, что растягивающее усилие на экваторе параллельно оси Y и имеет величину То. Фиг.3 изображает кривую, характеризующую продольное сечение Эйлеровой эластики, полученное численным решением. В этом осуществлении полезный груз прикреплен к мембранной конструкции. Поэтому форма газовой оболочки 1 несколько отклоняется от симметричной формы. Но это отклонение является пренебрежимо малым.
Если балки 4 установлены в газовой оболочке 1 согласно указанным выше условиям, то на основе Эйлеровой эластики форму газовой оболочки 1 определяют следующим образом. Эта форма удовлетворяет следующему преобразованному уравнению (4):
В этом преобразованном уравнении (4) предполагается, что растягивающее усилие Т’, воздействующее на газовую оболочку 1, параллельно оси Y и меньше растягивающего усилия Т в случае определения Эйлеровой эластики.
Форму газовой оболочки 1 с балками 4 определяют решением уравнения (4) с помощью уравнения (5).
Фиг.4 изображает кривые, характеризующие сечения газовой оболочки 1 с балками 4, которые определяют решением уравнения (4). Два конца 1а и 1b (фиг.1) газовой оболочки 1 расположены на верхней и нижней сторонах фиг.4. Кривая Е характеризует Эйлерову эластику. Фиг.4 изображает кривые для трех типичных форм с радиусом x0 на экваторе. Из фиг.4 ясно, что за счет изменения таких параметров, как радиус x0 на экваторе и длина балок 4, можно определять разнообразные формы. Форма мембранной конструкции согласно этому варианту осуществления имеет значительную степень свободы. Пусть будет вертикальным углом конца газовой оболочки 1, т.е. углом, под которым кривая пересекает ось Y, тогда сжимающее усилие Fc, прилагаемое на балке 4, определяется следующим образом:
Форма газовой оболочки 1 в случае, когда газовая оболочка 1, изображенная на фиг.4 формы имеет упрочняющие канаты 3, поясняется ниже. Если газовая оболочка 1 имеет форму согласно фиг.4, клин 2 имеет веретенообразную форму, которая образуется делением формы на N равных частей. В этом варианте осуществления каждый клин 2 имеет форму, при которой клин 2 выступает с небольшой кривизной без растяжения мембранного материала, формирующего клин 2. Клин 2 имеет достаточно большой размер в продольном направлении.
Для обеспечения формы каждого клина 2 с упрочняющими канатами 3 клин 2 имеет размер более крупный, чем размер клина газовой оболочки с формой согласно фиг.4. В частности, ширина каждого клина 2 гораздо больше расстояния между соседними упрочняющими канатами 3, прикрепленными к клину 2, когда газовая оболочка 1 находится в полностью наполненном состоянии. Длина каждого клина 2 больше длины каждого упрочняющего каната 3, прикрепленного к клину 2. Упрочняющие канаты 3 прикреплены к клиньям 2, при этом обеспечивая складки клиньев 2. Каждый из клиньев 2 укорачивается за счет его складок, в результате чего длина каждого края укороченных клиньев 2 равна длине каждого упрочняющего каната 3, прикрепляемого к укороченным клиньям 2.
Следовательно, каждый клин 2 выступает без растяжения мембранного материала. Благодаря тому, что каждый выступающий клин 2 имеет заданную форму, растягивающее усилие в продольном направлении каждого клина 2 почти пренебрежимо малое. В частности, растягивающее усилие на выступающем клине 2 направлено в направлении, пересекающем два соседних упрочняющих каната 3. Растягивающее усилие на клине 2 в направлении ширины воздействует на упрочняющий канат 3, прикрепленный к клину 2, и поэтому упрочняющий канат 3 натягивается в направлении наружу. При этом растягивающее усилие на клине 2 поддерживается упрочняющими канатами 3.
Каждый выступающий клин 2 имеет радиус кривизны в направлении, пересекающем два соседних упрочняющих каната 3, прикрепленных к клину 2. Этот радиус кривизны гораздо меньше радиуса газовой оболочки 1. В обычных дирижаблях, клинья которых не выступают, радиус корпуса дирижабля находится в диапазоне приблизительных значений от 10 до 30 м. Радиус газовой оболочки 1 почти одинаковый. Поэтому радиус кривизны выступающего клина 2 может составлять почти 1 м. Растягивающее усилие, создаваемое на газовой оболочке 1, уменьшается в соответствии с отношением радиуса кривизны клина 2 и радиуса газовой оболочки 1. С уменьшением растягивающего усилия повышается баростойкость мембранной конструкции.
Уменьшение радиуса кривизны клина 2 можно осуществить независимо от масштаба мембранной конструкции. Это означает, что баростойкость мембранной конструкции не зависит от объема мембранной конструкции. Поэтому прочность мембранной конструкции этого осуществления не зависит от размера. При этом имеется значительная степень свободы формы согласно описанию со ссылкой на фиг.4. Это техническое решение особо эффективно, когда мембранная конструкция согласно данному осуществлению используется для дирижабля, рассчитанного на низкое сопротивление воздуха.
В конце газовой оболочки 1 может быть установлена жесткая обшивка 5. Фиг.5 иллюстрирует вид сбоку мембранной конструкции, имеющей обшивку 5. Обшивка 5 имеет почти куполообразную форму. Концы клиньев 2 и упрочняющие канаты 3 зафиксированы в части, соответствующей основанию куполообразной обшивки 5. Балка 4 проходит между концом 1b газовой оболочки 1 и частью, соответствующей вершине обшивки 5.
Форма клина 2 между концом 1b и основанием обшивки 5 та же, что и форма клина 2, изображенного на фиг.1. Поверхность каждого клина 2 плавно переходит в поверхность обшивки 5. Вершина обшивки 5 имеет плавную криволинейную поверхность. Согласно этой конструкции воздух смещается в меньшей степени, когда дирижабль преодолевает воздушный поток со стороны обшивки 5. Поэтому сопротивление воздуха можно снизить.
Мембранная конструкция согласно второму варианту осуществления также используется в дирижабле. Фиг.6 иллюстрирует вид сбоку мембранной конструкции. Как и в первом варианте осуществления газовая оболочка 10 имеет клинья 20, каждый из которых имеет острые концы. Каждый клин 20 имеет форму, определяемую делением газовой оболочки 10 на равные N части. Соседние клинья 20 соединены своими краями. Клинья 20 выполнены из того же мембранного материала, который используют в первом варианте осуществления. Упрочняющие канаты 30 прикреплены по линиям соединения клиньев 20. В этом варианте осуществления устройство для сохранения формы оболочки 10 содержит, по меньшей мере, один охватывающий элемент 6, проходящий вокруг газовой оболочки 10, с пересечением упрочняющих канатов 30. Охватывающий элемент 6 имеет кольцевую форму и перпендикулярен упрочняющим канатам 30. В качестве охватывающего элемента 6 используют канат, ленту или жесткое кольцо, выдерживающие значительное растягивающее усилие. Угол между охватывающим элементом 6 и упрочняющим канатом 30 не ограничивается 90
. Часть газовой оболочки 10, охватываемой охватывающим элементом 6, может иметь либо круглую форму, либо эллиптическую. Охватывающий элемент 6 может быть также спиралью, проходящей вокруг газовой оболочки 10.
Когда газовая оболочка 10 находится в полностью наполненном состоянии, то охватывающие элементы 6 сужают охваченную часть газовой оболочки 10. Согласно фиг.6 создаются две узкие части. Но число узких частей может быть равным одному, трем или более. Газовая оболочка 10 разделяется на три части узкими частями. Эти три части определяются как наполненные части 11, 12, 13. Каждый клин 20 выступает между упрочняющими канатами 30 без растяжения мембранного материала.
Газовая оболочка 10 имеет следующую форму. Сначала поясняется случай без использования упрочняющих канатов 30 и когда клинья 20 не выступают. Ширина (длина в направлении, перпендикулярном продольному направлению) клиньев 20 достаточно большая. Поэтому длина кольцевой траектории вокруг газовой оболочки 10, проходящей параллельно кольцевым охватывающим элементам 6, намного превышает расстояние вокруг кольцевых охватывающих элементов 6. Кольцевая траектория вокруг газовой оболочки 10 не проходит вблизи двух концов каждого клина 20. Поэтому формы наполненных частей 11 и 13, находящихся на обеих сторонах, являются Эйлеровой эластикой. Это можно пояснить таким же образом, как и в первом варианте осуществления изобретения.
Части газовой оболочки 10, расположенные вблизи обеих сторон каждой узкой части, симметричны друг другу. Конкретно, части газовой оболочки 10 плоскосимметричны в отношений плоскости, охватываемой охватывающим элементом 6. Это можно охарактеризовать следующим образом. Фиг.7 является схематическим изображением сечения газовой оболочки 10, которое характеризует равновесие растягивающего усилия. Для простоты, описываются две наполненные части 15, 16. Согласно фиг.6 наполненные части 11, 12, 13 расположены продольно. Согласно фиг.7 наполненные части 15, 16 расположены вертикально. Ось Y проходит через центр кольцевого охватывающего элемента 6 и перпендикулярна плоскости, охватываемой охватывающим элементом 6. Ось Х перпендикулярна оси Y. Согласно вышеизложенному поскольку длина кольцевой траектории вокруг газовой оболочки 10, проходящей параллельно кольцевым охватывающим элементам 6, гораздо больше расстояния вокруг кольцевых охватывающих элементов 6, каждая из наполненных частей 15, 16 имеет форму Эйлеровой эластики и принимает форму сферы, сжатой в положительном и отрицательном направлениях оси Y.
Далее рассматривается равновесие усилий в точке Р1 на охватывающем элементе 6. Растягивающие усилия Т1 и Т2 действуют на наполненные части 15, 16 в точке Р1, соответственно. Составляющие Ту1 и Ту2 оси Y растягивающих усилий Т1 и Т2 имеют одинаковые величины и противоположные направления. Составляющие Ту1 и Ту2 взаимно уничтожаются. Сумма составляющих Тх1 и Тх2 оси Х растягивающих усилий Т1 и Т2 уравновешивается растягивающим усилием охватывающего элемента 6. Следовательно, растягивающие усилия Т1 и Т2 симметричны по отношению к линии, проходящей через точку Р1 и параллельной оси X. Если дифференциальное уравнение (4)
вычислить численным решением последовательно от охватывающего элемента 6 до положительного и отрицательного направлений оси Y, то можно будет определить форму каждой из наполненных частей 15, 16. Поскольку исходные условия для наполненных частей 15, 16 на охватывающем элементе 6 одинаковы, наполненные части 15, 16 являются плоскосимметричными по отношению к плоскости, охватываемой охватывающим элементом 6.
Rb - радиус охватывающего элемента 6 (расстояние между осью Y и точкой PI). Если дополнительный охватывающий элемент с радиусом Rb расположен в части (указанной точкой Р2 на фиг.7) наполненной части 15, радиус которой (расстояние между осью Х и клином) равен радиусу Rb, тогда образуется дополнительная наполненная часть с такой же формой, как и между точками Р1 и Р2. Наполненная часть 15 находится между созданной дополнительной наполненной частью и наполненной частью 16. Предположим, что клин 20 дополнен мембранным материалом, соответствующим дополнительной наполненной части. При введении еще большего числа охватывающих элементов с радиусом Rb можно определить такую форму, в которой совокупность наполненных частей одинаковой формы соединится в линию (кроме формы наполненных частей, находящихся на двух концах).
Фиг.8 изображает кривую, указывающую сечение газовой оболочки 10, определенное численным решением. Оси Х и Y соответствуют осям на фиг.7. Как указано выше, в случае использования охватывающих элементов можно сформировать растянутую мембранную конструкцию. Если эта мембранная конструкция используется для дирижабля, то она будет более целесообразной, чем форма мембранной конструкции без охватывающих элементов.
Согласно фиг.8 используются охватывающие элементы, имеющие одинаковый радиус. Но могут быть использованы также охватывающие элементы с разными радиусами, обеспечивающие разные формы. И в том, и в другом случае газовая оболочка 10 будет плоскосимметричной относительно плоскостей, охватываемых охватывающими элементами. В газовой оболочке, изображаемой на фиг.7, 8, каждый клин имеет форму, определяемую делением газовой оболочки на N равных частей по полуплоскости, имеющей ось Y, в качестве одной стороны. В мембранной конструкции с упрочняющими канатами 30 каждый клин 20 выступает с небольшим радиусом кривизны между соседними упрочняющими канатами 30, без растяжения мембранного материала.
В этом варианте осуществления клин 20 имеет больший размер, чем размер газовой оболочки, имеющей форму согласно фиг.7 или 8. Так же как и в первом варианте осуществления упрочняющие канаты 30 прикреплены к клиньям 20, на которых сформированы складки. Каждый клин 20 имеет такую форму, что растягивающее усилие в его продольном направлении равно почти нулю. Усиливающие канаты 30, проходящие по наполненным частям 11, 12, 13, соответствуют Эйлеровой эластике.
Мембранная конструкция согласно данному варианту осуществления имеет различные преимущества. Применение охватывающих элементов повышает степень свободы формы. Помимо этого, поскольку каждый клин 20 выступает с небольшим радиусом кривизны без растяжения мембранного материала, мембранная конструкция имеет значительную прочность на продольный разрыв.
Устройство для сохранения формы используемой мембранной конструкции согласно третьему варианту осуществления имеет охватывающие элементы 6 и нажимной элемент, который утончает газовую оболочку 10. Фиг.9 изображает в перспективе мембранную конструкцию, которая имеет наполненные части 11, 12, 13, 14, разделенные охватывающими элементами 6. Балка 40, используемая как нажимной элемент, прикреплена между двумя концами каждого клина 20, т.е. между концами 10а и 10b газовой оболочки 10.
Наполненные части 11, 12, 13, 14 являются плоскосимметричными по отношению к плоскостям, охватываемым охватывающими элементами 6, соответственно. Каждая наполненная часть имеет форму части газовой оболочки 1, описанной в первом варианте осуществления со ссылкой на фиг.1. Это очевидным образом следует из первого и второго вариантов осуществления. Фиг.10 изображает кривые, характеризующие сечения газовой оболочки 10 согласно этому варианту осуществления и определенные численным решением. Оси Х и Y те же, что и на фиг.8. Кривые С10 и С20 характеризуют два типичных сечения. Кривая С8 аналогична кривой сечения, изображаемой на фиг.8. Эти кривые С8, С10, С20 имеют одинаковое число узких частей.
Как в первом, так и втором варианте осуществления, каждый клин 20 выступает с небольшим радиусом кривизны между соседними упрочняющими канатами 30 без растяжения мембранного материала.
Согласно этому варианту осуществления степень свободы формы газовой оболочки 10 особо высокая. В этом варианте осуществления газовая оболочка может быть более крупной, чем во втором варианте осуществления.
Мембранные конструкции согласно первому, второму и третьему варианту осуществления можно также применить для мембранной конструкции, в которой внутреннее давление конструкции сохраняет ее форму, например, для больших зданий, таких как всепогодные бейсбольные и футбольные стадионы. Фиг.11 является перспективным изображением мембранной конструкции, применяемой для здания. Эта мембранная конструкция принципиально та же, что и в первом варианте осуществления, использованы те же ссылочные позиции, что и в первом варианте осуществления, со ссылкой на фиг.1 для обозначения тех же компонентов этой мембранной конструкции, и поэтому ее подробное описание не приводится.
Эта мембранная конструкция содержит часть газовой оболочки 1 (фиг.1) первого варианта осуществления. Конкретно, используется часть газовой оболочки 1 между концом 1а и серединой. Каждый изображенный на фиг.11 клин 2 является половиной клина согласно первому варианту осуществления и содержит ту часть клина 2 первого варианта осуществления, которая проходит между одним концом и серединой. Та часть клина 2 согласно фиг.11, которая соответствует середине клина 2 первого осуществления, прикреплена к основанию 7, выполненному из жесткого материала. Прикрепленные части герметизированы для создания внутреннего давления в газовой оболочке 1. Изображенная на фиг.11 мембранная конструкция имеет тот же элемент, что и балка 4 согласно первому варианту осуществления, который сохраняет форму газовой оболочки 1. Каждый изображенный на фиг.11 клин 2 выступает наружу с небольшим радиусом кривизны без растяжения мембранного материала, формирующего клин 2.
В этом варианте со ссылкой на фиг.11 используется половина газовой оболочки 1 первого варианта осуществления, которая проходит между концом 1а и серединой газовой оболочки 1. Вместо использования половины газовой оболочки 1 можно использовать ту часть, которая проходит от конца 1а в положение между серединой и концом 1b. Либо можно использовать часть мембранной конструкции второго или третьего варианта осуществления.
В обычной мембранной конструкции для сохранения формы конструкции от воздействия ее веса и от давления ветра внутреннее давление относительно высокое и на мембрану воздействует значительное растягивающее усилие. В этом варианте со ссылкой на фиг.1, поскольку мембрана имеет части, которые выступают с небольшим радиусом кривизны, мембрана обладает прочностью к продольному разрыву. Помимо этого, высока степень свободы при проектировании формы конструкции.
Прочие преимущества и модификации будут очевидными для специалиста данной области техники. Поэтому данное изобретение с точки зрения его более широких аспектов не ограничивается подробностями и приводимыми в описании иллюстративными вариантами осуществления. Соответственно, возможны разнообразные модификации в рамках объема общей изобретательской концепции, определяемой прилагаемой формулой изобретения или ее эквивалентами.
Формула изобретения
1. Мембранная конструкция, содержащая воздухонепроницаемую баростойкую газовую оболочку, включающую множество веретенообразных клиньев, выполненных из воздухонепроницаемого мембранного материала, при этом соседние клинья соединены вместе по краям, множество упрочняющих канатов, прикрепленных к соединенным секциям краев и проходящих вдоль краев, и устройство для сохранения формы, сохраняющее газовую оболочку в заданной форме при ее полностью наполненном состоянии, при этом каждый клин выступает в наружном направлении между двумя соседними упрочняющими канатами, проходящими вдоль краев клина, без удлинения воздухонепроницаемого мембранного материала при полностью наполненном состоянии газовой оболочки, каждый клин имеет радиус кривизны в направлении, пересекающем два соседних упрочняющих каната, который меньше радиуса газовой оболочки, и каждый выступающий клин подвержен воздействию растягивающего усилия, направленного в направлении, пересекающем два соседних упрочняющих каната, каждый клин имеет ширину, превышающую расстояние между двумя соседними упрочняющими канатами, прикрепленными к клину при полностью наполненном состоянии газовой оболочки, каждый клин имеет длину, превышающую длину каждого упрочняющего каната, прикрепленного к клиньям, каждый клин укорочен за счет создания складок в клине, в результате чего длина каждого края укороченных клиньев равна длине каждого упрочняющего каната, прикрепленного к укороченным клиньям, и упрочняющие канаты прикреплены к клиньям, сохраняя складки клиньев, отличающаяся тем, что устройство для сохранения формы содержит нажимные части, расположенные на концах клина, к которым прикреплен упрочняющий канат, и нажимной элемент, нажимающий на нажимные части в направлении наружу из газовой оболочки для утончения газовой оболочки без удлинения мембранного материала.
2. Конструкция по п.1, отличающаяся тем, что нажимной элемент содержит балку, установленную в газовой оболочке и проходящую между концами каждого клина.
3. Мембранная конструкция, содержащая воздухонепроницаемую баростойкую газовую оболочку, включающую множество веретенообразных клиньев, выполненных из воздухонепроницаемого мембранного материала, при этом соседние клинья соединены вместе по краям, множество упрочняющих канатов, прикрепленных к соединенным секциям краев и проходящих вдоль краев, и устройство для сохранения формы, сохраняющее газовую оболочку при ее полностью наполненном состоянии, каждый клин выступает в наружном направлении между двумя соседними упрочняющими канатами, проходящими вдоль краев клина, без удлинения воздухонепроницаемого мембранного материала при полностью наполненном состоянии газовой оболочки, каждый клин имеет радиус кривизны в направлении, пересекающем два соседних упрочняющих каната, который меньше радиуса газовой оболочки, и каждый выступающий клин подвержен воздействию растягивающего усилия, направленного в направлении, пересекающем два соседних упрочняющих каната, каждый клин имеет ширину, превышающую расстояние между двумя соседними упрочняющими канатами, прикрепленными к клину при полностью наполненном состоянии газовой оболочки, каждый клин имеет длину, превышающую длину каждого упрочняющего каната, прикрепленного к клиньям, каждый клин укорочен за счет создания складок в клине, в результате чего длина каждого края укороченных клиньев равна длине каждого упрочняющего каната, прикрепленного к укороченным клиньям, и упрочняющие канаты прикреплены к клиньям, сохраняя складки клиньев, отличающаяся тем, что устройство для сохранения формы содержит, по меньшей мере, один охватывающий элемент, проходящий вокруг газовой оболочки, пересекая упрочняющие канаты, и сужающий часть газовой оболочки, охваченную охватывающим элементом при полностью наполненном состоянии газовой оболочки, и формирующий, по меньшей мере, одну узкую часть.
4. Конструкция по п.3, отличающаяся тем, что две части газовой оболочки, расположенные вблизи сторон узкой части, являются симметричными.
5. Конструкция по п.3 или 4, отличающаяся тем, что устройство для сохранения формы содержит нажимные части, расположенные на концах клина, к которым прикреплен упрочняющий канат, и нажимной элемент, нажимающий на нажимные части в направлении наружу из газовой оболочки для утончения газовой оболочки без удлинения мембранного материала.
6. Конструкция по п.5, отличающаяся тем, что нажимной элемент содержит балку, установленную в газовой оболочке и проходящую между концами каждого клина.
РИСУНКИРисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10, Рисунок 11
