Eigenspannungsermittlung nach dem Bohrlochverfahren

SINT Technology ist eine italienische Firma mit Sitz in Florenz. Zusammen mit HBM produziert und entwickelt das Unternehmen das MTS3000, ein automatischs System für die Eigenspannungsermittlung nach dem Bohrlochverfahren

Es gibt viele mögliche Ursachen für Eigenspannungen in mechanischen Strukturen. Sie können durch den technischen Prozess entstehen, z.B. beim plastischen Formen oder Schweißen, durch ungleichmäßiges Abkühlen gegossener Bauteile, Schmieden oder bestimmte Arten der Oberflächenbehandlung wie Kugelstrahlen oder Oberflächenhärtung. 

Eigenspannungen spielen für die strukturelle Festigkeit die gleiche Rolle wie gewöhnliche mechanische Spannungen. Während aber durch äußere Kräfte verursachte Spannungen mit einem bestimmten Genauigkeitsgrad berechnet werden können, sind Eigenspannungen schwer vorhersehbar. Daher ist es sehr wichtig auf eine zuverlässige Methode zurückgreifen zu können, die eine direkte Eigenspannungsermittlung mit minimaler Beschädigung der Oberfläche ermöglicht. 

Zu diesem Zweck wurde die Bohrlochmethode entwickelt. Im Wesentlichen wird dabei in die Komponente ein kleines Loch in der Mitte einer DMS-Rosette gebohrt. Durch das entfernte Material werden die Eigenspannungen reduziert und die Oberflächendehnung kann mit Dehnungsmessstreifen gemessen werden.  Mit Hilfe eines geeigneten mathematischen Modells wird anhand der Verformungsmessung die reduzierte Eigenspannung ausgewertet.

   

Das System MTS3000 umfasst:

  • ein opto-mechanisches System (zum Bohren des Lochs)
  • eine elektronische Steuereinheit (zur Steuerung des opto-mechanischen Systems und der mit dem Verstärker QuantumX von HBM durchgeführten Messungen)
  • Bedien- und Steuerungs-Software für das Bohrlochverfahren (zum automatischen Bohren des Lochs)
  • Auswerte-Software (zur weiteren Datenverarbeitung mit verschiedenen Auswerteverfahren).

Das Bohrloch wird mit einer Druckluftturbine mit bis zu 350.000 Umdrehungen pro Minute gebohrt, so dass während des Bohrens keine Eigenspannungen hinzukommen.
Mit der Auswerte-Software werden anhand der gemessenen Dehnungen die Eigenspannungen im Material berechnet.

Für eine möglichst genaue Darstellung des realen Spannungszustands spielt die Auswahl des Auswerteverfahrens eine äußerst wichtige Rolle. Viele Forscher haben dazu beigetragen – und tun dies auch weiterhin – einen umfangreichen Bestand an Literatur zur Beschreibung des Bohrlochverfahrens zu schaffen.

Zurzeit stellt die Auswerte-Software vier verschiedene Berechnungsverfahren zur Verfügung: die Methode gleichförmiger Spannungen [ASTM E 837-13-Standard], die Methode nicht-gleichförmiger Spannungen [ASTM E 837-13-Standard], die Schwarz-Kockelmann-Methode und die Integralmethode.

Standardmethode [ASTM E 837-01-Standard]

Dieses im ASTM E 837-13-Standard beschriebene Verfahren basiert auf der Annahme, dass Spannungen sich nicht mit dem Abstand von der Oberfläche des Prüflings verändern. Daher lässt die Methode die räumliche Auflösung bei der Betrachtung außer Acht. Dennoch ist diese Methode die beste Wahl, wenn die gemessenen Spannungen gleichförmig sind, da sie am wenigsten empfindlich gegenüber den Auswirkungen von Fehlern bei der Prüfung ist.

Darüber hinaus ermöglicht sie das schnelle Abschätzen des mittleren Eigenspannungsniveaus im Prüfling; daher wird dieses Berechnungsverfahren weltweit verwendet und anerkannt.

Methode nicht-gleichförmiger Spannungen [ASTM E 837-13-Standard]

Dieses im ASTM E 837-13-Standard beschriebene Verfahren führt die Berechnung nicht-gleichförmiger Spannungen ein. Dieser Standard legt die Berechnungsschritte und -tiefe fest und setzt die Integralmethode (weitere Details siehe unten) mit  Tikhonov-Regularisierung ein, um Fehler bei den berechneten Spannungen zu reduzieren.

ASTM E 837-13 ist weltweit die einzige komplette Norm für Eigenspannungen.

Schwarz-Kockelmann-Methode

Grundlage der Kockelmann-Methode ist die Theorie einer Korrelation zwischen der Ableitung der Dehnung und der Spannungsverteilung ausgedrückt als Funktion der Bohrlochtiefe. Die Verknüpfung erfolgt über ein mit Hilfe eines Simulationsmodells berechnetes Paar von Koeffizienten (Kx und Ky), die Spannung und Dehnung in Beziehung zueinander setzen. 

Mit Hilfe des Mohr’schen Spannungskreises können anhand dieser Werte die Hauptnormalspannungen und Winkel berechnet werden.

Integralmethode

Diese von G. S. Schajer vorgeschlagene Methode liefert eine separate Eigenspannungsanalyse für jedes Inkrement der Bohrlochtiefe. Bei diesem Verfahren werden die Beiträge der Spannungen in allen Tiefen zu den insgesamt gemessenen Relaxationen gleichzeitig betrachtet. Dadurch ist die räumliche Auflösung größer als bei den anderen Methoden. 

Zur Vereinfachung des Problems der Eigenspannungsermittlung schlug Schajer vor, das Spannungsfeld durch Schrittfunktionen mit über die Teilbohrlochtiefen konstantem Wert zu beschreiben. Auf Grundlage dieser Hypothese ermittelte Schajer die für diese Berechnung verwendeten numerischen Koeffizienten. 

Dieses Verfahren kann bis zu einer maximalen Tiefe von 0,5 mal dem Durchschnittsradius der für die Prüfung verwendeten DMS-Rosette eingesetzt werden.

Die Integralmethode sollte gewählt werden, wenn Eigenspannungen erwartet werden, die mit der Tiefe sehr stark variieren. Sie ist jedoch auch am empfindlichsten gegenüber Fehlern bei der Prüfung.

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