Das System MTS3000: Bohrlochverfahren zur Eigenspannungsermittlung

Eigenspannungen, die ohne sichtbare Anzeichen in Bauteilen vorhanden sind, beeinflussen deren Festigkeitsverhalten. Deshalb ist es sinnvoll, die in den Bauteilen vorhandenen Spannungen zu ermitteln. Bei der Bohrlochmethode zur Eigenspannungsermittlung wird in das Messobjekt eine kleine Bohrung von 1,6 mm Durchmesser eingebracht und mittels Dehnungsmessstreifen die dadurch verursachte Dehnungsänderung gemessen.

SINT Technology und HBM bieten sowohl das System MTS3000 als auch den erforderlichen Messverstärker Quantum X an, wodurch dieses Verfahren einfach durchzuführen ist. Das System setzt einen Schrittmotor ein, mit dem mit 350.000 Umdrehungen pro Minute gebohrt werden kann. Die beim schrittweisen Einbringen der Bohrung im Messobjekt entstehenden Dehnungsänderungen werden mit speziell für dieses Verfahren entwickelten DMS-Rosetten erfasst.

Die gesamte Signalverarbeitung erfolgt digital. Zusätzlich zu den Funktionen für die Systemsteuerung bietet das Softwarepaket vier verschiedene Algorithmen für die Auswertung, mit deren Hilfe die mechanische Spannung aus der gemessenen Dehnung berechnet werden kann. Der gesamte Messvorgang ist PC-gesteuert. Dies gewährleistet eine hohe Messsicherheit sowie optimale Reproduzierbarkeit.

Sehen Sie hier ein Video zu MTS3000:

Berechnungsverfahren

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 837-01-Standard], die Methode nicht-gleichförmiger Spannungen [ASTM E 837-13-Standard], die Schwarz-Kockelmann-Methode und die Integralmethode.

Methode gleichförmiger Spannungen [ASTM E 837-01-Standard]

Dieses im ASTM E 837-01-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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