3D Shaping - Erklärung

[JHG]

AW: 3D Shaping - Erklärung

Was ich faszinierend fände, wäre eine Bauweise, die weggeht von den klassischen Rippen/Bändern: Unter- und Obersegel sind nur noch verbunden durch eine sehr hohe Anzahl von dünnen Fäden, die ein nahezu perfektes Shaping der Oberseite ermöglichen (auf der Unterseite kann es nicht ganz perfekt sein, da die Kraft ja in die einzelnen Leinen überführt werden muss, die einzelnen Fäden müssen also in bestimmten Abständen auf der Unterseite zusammenlaufen. Dazu müsste man sich natürlich noch eine geniale Methode überlegen, wie man so etwas wirtschaftlich herstellen kann ;-)

Interessanter Ansatz. Die Oberseite hätte dann lauter kleine Dellen ähnlich der Oberfläche eines Golfballs. Bekanntlich hat ein Golfball mit diesen Dimples einen deutlich geringeren Widerstand als einer ohne.

http://www.focus.de/wissen/technik/aerodynamik-der-perfekte-golfball_aid_350320.html

Im beschleunigten Flug wenn der induzierte Widerstand absinkt und der Formwiderstand mit dem Quadrat der Geschwindigkeit steigt bringt das vielleicht noch eine deutliche Reduktion des Gesamtwiderstands. Dass rauhe Oberflächen bei ähnlichen Reynoldszahlen wie bei unsren Schirmen noch was bringen sollen zeigt die Idee mit der "Haifischhaut" auf Autos: http://www.sturmunddrang.de/en/node/117012

Andrerseits sind die Oberflächen unsrer Schirme ohnehin schon relativ rauh verglichen mit zB. Autolacken.

Interessant wäre auch der Ansatz den die Segelmacher für Hitech Segel anwenden. Da werden die Segel direkt auf Formen laminiert und nicht mehr mit unterschiedlichen Radien (wie klassischerweise) zusammengenäht um die Wölbung zu erzeugen. Gelitschirme würden mit dieser Technikt wohl viel zu schwer werden, vielleicht gibt es aber geeignete Materialien die man "aufbügeln" könnte ähnlich der Folien die die Modellbauer zum Bespannen ihrer Tragflächen verwenden.

Edit: @Seba, genau das meinte ich, sorry Posts haben sich überschnitten.

[Seba]

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Interessant wäre auch der Ansatz den die Segelmacher für Hitech Segel anwenden. Da werden die Segel direkt auf Formen laminiert und nicht mehr mit unterschiedlichen Radien (wie klassischerweise) zusammengenäht um die Wölbung zu erzeugen. Gelitschirme würden mit dieser Technikt wohl viel zu schwer werden, vielleicht gibt es aber geeignete Materialien die man "aufbügeln" könnte ähnlich der Folien die die Modellbauer zum Bespannen ihrer Tragflächen verwenden.

Hi Sepp,

genau diese Technik zeigen die Bilder in meinem Beitrag weiter oben. Nein, schwerer wird dadurch der Gleitschirm auf keinen Fall sondern vielleicht sogar leichter. North Sails ist die führende Firma bei den 3D Segeln und zu North Sails gehört auch Cubic Tech, der Hersteller von dem sehr, sehr leichten und stabilen Cuben Fiber. Wenn z.B. 19g/m2 Cuben Fiber als Basismaterial verwendet würde, könnten die anderen Bauteile, also auch die Fäden zum Abspannen, noch einiges wiegen und die Kappe wäre immer noch sehr leicht. Das schöne an der Technik ist, dass Verstärkungsfäden genau da einlaminiert werden wo sie von der Krafteinleitung her gebraucht werden. Weniger belastete Stellen des Segels sind dünner.

Grüße, Sebastian

[pipo]

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Hallo Horst,

Wenn ich mal meine Sicht hier anfügen darf: Ballooning ist die natürliche Reaktion des (biegeweichen) Stoffs um die normal wirkenden Druckkräfte (Differenz aus hohem Innendruck und niedrigerem Aussendruck) als Spannungen im Stoff "abzutransportieren".

Ja genau - und du sprichst korrekt von "Druckdifferenzen", und nicht wie ich einfach vom "Innendruck".
Damit meinte ich aber natürlich auch den Innen-Überdruck, der sich aus der Differenz zwischen Innen- und Außendruck ergibt.

Das sollte dann übrigens auch zur Lösung des "Rätsels" beitragen, warum Einfachsegler ein Ballooning haben. (Eben natürlich wegen der Druckdifferenz zwischen Ober- und Unterseite)

Das Segel verhält sich wie eine Membran und muss (!) sich krümmen um die Druckkräfte auffangen und schließlich als interne Spannungen an die Rippen bzw. V-Bänder abgeben zu können.

Ja, nachdem keine Biegesteifigkeit vorhanden ist, führt die Druckdifferenz unweigerlich zum Ausbauchen.

Dehnungen sind dabei gering und m.M. bzgl. Ballooning zu vernachlässigen

Ja, das schätzt du richtig ein.

Meine Überlegungen gehen auch dahin, dass Ballooning auch von der örtlichen Profilhöhe (bzw. vom Verhältnis Höhe/Zellbreite) abhängt, und zwar so, dass geringe Höhe mehr Ballooning bewirkt

Absolut! Die Profilhöhe (relativ zur Zellbreite) nimmt ja mit mehr Zellen zu. Und deshalb hat ein Hochleister deutlich weniger Ballooning als ein Speedschirm mit sehr wenig Zellen.

An der Hinterkante geht die Profilhöhe gegen null. Würde dort keine Zugkraft in Spannweitenrichtung wirken, dann würde der Schirm soweit "balloonen" bis exakt ein Kreis beschrieben wird. (Der kreisförmige Querschnitt bedeutet maximales Volumen. Wirkt nur der Innen(über)druck, so wird sich immer die Form des größten Volumens einstellen!)

An der Nase hat der Stoff wegen der hohen Profilkrümmung (Nasenrundung) bereits eine vorhandene Krümmung, mit der die Druckkräfte tw. aufgenommen werden können. Ich glaube, deshalb braucht es dort nicht mehr viel zusätzliches Ballooning in Spannweitenrichtung.

Das stimmt so nicht. Die Profilkrümmung ersetzt nicht das Ballooning. Der Grund für das geringe Ballooning an der Nase ist die große Spannung in Spannweitenrichtung und auch die kleine Druckdifferenz zwischen Schirminnen,- und Außenseite an dieser Stelle. (Nahe dem Staupunkt)


In folgendem Beispiel wirkt nur der Innendruck. Die Biegung ändert nichts am Ballooning! (Hier spielt allerdings die Materialdehnung eine erhebliche Rolle )


vG!

P.

[Horst Altmann]

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Hallo Pipo,

Ich wollte dazu nochmal was anmerken:

Meine Beobachtung ist, dass sich das Ballooning außerhalb der Nase als eher gleichmäßiger Kreisbogen (von Rippe zu Rippe) zeigt während an der Nase (hauptsächlich Oberseite) die Ballooning-Form anders ist. Dort hat man eher eine "elliptische" Form, die ich mal so beschreiben möchte: In der Nähe der Rippen macht der Stoff innerhalb eines kleinen Bereiches (<5cm) in etwa einen Viertelkreis. Der Rest des Stoffes ist dann nur noch leicht gekrümmt. Man kann das ganz gut an Fotos sehen, zB am aktuellen Titelbild des DHV. Das bist ja du, oder? Übrigens: Ein sehr gelungenes Foto mit den Wirbel-Strukturen unten im Eis. Saugut!

So. Wenn es nun so wäre, dass das Segel entlang des Profils immer "gleichartig" durch Spannungen in Spannweitenrichtung belastet wäre, dann sollte sich auch entlang des Profils "gleichartige" Ballooning-Formen einstellen, also überhalb Kreisbögen. Das hat man aber m.M. nach nicht an der Nase. Deshalb ist hier offensichtlich etwas anders. Ich hab dazu ja mal FSI-Simulationen durchgeführt, siehe Bild. Ich denke, man kann an dem FSI-Ergebnis auch sehen, dass die Ballooning-Form an der Nase anders ist also am Rest des Profils (besonders Unterseite mit kreisbogenförmigen Ballooning), wo die Geometrie weniger gekrümmt ist. Eine detailliertere Analyse der Spannungen im Nasenbereich zeigt mir dann auch, dass hier Spannungen "diagonal" verlaufen, also nicht nur in Spannweitenrichtung, sondern auch längs der gekrümmten Profilkontur. Ich denke also schon, dass hier die "natürliche" Stoffkrümmung das Ballooning mit beeinflusst.

Grüße, Horst

[pipo]

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Hallo Horst,

Eine detailliertere Analyse der Spannungen im Nasenbereich zeigt mir dann auch, dass hier Spannungen "diagonal" verlaufen, also nicht nur in Spannweitenrichtung, sondern auch längs der gekrümmten Profilkontur.

Klar, du hast in der Mitte der Zelle eine Spannung in Profiltiefen-Richtung. Die ergibt sich eben daraus, dass durch die Krümmung um zwei Achsen, die Obersegelbahn in Zellmitte de facto zu kurz ist. (das soll ja das 3D Shaping ausgleichen)

Wenn das Tuch darüber hinaus (wie in deinem FSI-Modell) nicht die Möglichkeit hat, am Zellrand Falten zu werfen, dann ist die oben erwähnte Spannung in Zellmitte schnell einmal so hoch, dass sie das Ballooning limitiert, wie man deutlich an deinem Screenshot sehen kann.

In der Praxis wird der Effekt zwar (eben durch das Faltenwerfen) kleiner sein, er wird aber noch immer da sein. Da hast du recht.

Ich glaube aber, dass deine ursprünglicher Erklärung dafür falsch ist:

An der Nase hat der Stoff wegen der hohen Profilkrümmung (Nasenrundung) bereits eine vorhandene Krümmung, mit der die Druckkräfte tw. aufgenommen werden können.

Es ist nicht so, dass die Profilkrümmung die Druckkraft irgendwie aufnimmt.
Sondern die (oben erklärte) in Folge der beiden Krümmungen entstehende Spannung in Zellmitte limitiert das Ballooning.

Man kann das ganz gut an Fotos sehen, zB am aktuellen Titelbild des DHV. Das bist ja du, oder?

Das steht falsch im Heft: Ich bin der Fotograf, nicht der Pilot. (das ist Mike Küng)
Die Strukturen im Eis waren einmalig! Das Swissglider hat auch ein Bild, das am Tag darauf entstanden ist, abgedruckt: http://www.shv-fsvl.ch/typo3temp/pics/3e99500093.jpg
Das hier gab's schon auf der Nova-Website: http://nova-wings.com/images/news/eis.jpg

vG!

P.

[Horst Altmann]

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Hallo Pipo,

Evtl. war mein Punkt nicht klar genug formuliert. Ich versuch's nochmal logisch aufzubereiten:

Am Segel wirken normal gerichtete Druckkräfte --> diese werden über Spannungen im Segelstoff aufgenommen und in die Rippen transportiert --> dazu braucht es (bedingt) Krümmung des Stoffs (Membranverhalten) --> wo Stoff gerade war ergibt sich Ballooning / wo Stoff bereits gekrümmt (Nase) kann diese Krümmung asugenutzt werden --> weniger/anderes Ballooning im Nasenbereich.

Das FSI-Modell hat adaptives Verhalten und kann so Faltenbildung simulieren.

Hab hier noch ein Bild ausgegraben mit einer Darstellung der Segelspannungen in Spannweiten- und Längsrichtung. Es zeigt sich, dass Spannung da gross sind, wo auch am Segel der stärkste Unterdruck vorliegt. Ist ja auch klar. An der Nase selbst sind die Spannungen wieder klein, da ist ja auch weniger Druckdifferenz.

Grüße, Horst