Strukturtests für Materialermüdung und Spannung
Dauerschwingversuch und Betriebsfestigkeitsnachweis
Im Dauerschwingversuch wird der Nachweis der Betriebsfestigkeit von Leichtbaukonstruktionen von Fahrzeug- und Maschinenkomponenten erbracht. HBM bietet vollständige Messketten von Dehnungsmessstreifen über Kraft- und Wegaufnehmer und Messverstärker bis hin zu Datenerfassungssoftware an, die sich optimal für diese Versuche eignen.
Betriebsfestigkeitsnachweis für Werkstoffe und Strukturen
Auf dem Weg zu höherer Energieeffizienz von Fahrzeugen und Maschinen müssen Leichtbaukonstruktionen mechanischer Teile und Komponenten möglichst nah an die Grenzen der Materialermüdung von etablierten oder neuen Werkstoffen heranreichen. Gleichwohl muss ein Versagen sicherheitsrelevanter Bauteile wie Fahrzeugachsen und Rädern im laufenden Betrieb aufgrund von Materialermüdung ausgeschlossen werden. Ebenso wichtig ist es, Materialversagen kritischer funktionaler Bauteile wie Kurbelwellen und Pleuelstangen zu vermeiden, da dies zu einer Beschädigung des gesamten Fahrzeugs oder der gesamten Maschine führen kann.
Der Betriebsfestigkeitsnachweis einer Leichtbaukonstruktion erfolgt mittels einer Kombination aus Simulationsmodell und experimenteller Überprüfung: ein Dauerschwingversuch wird für jedes Material durchgeführt, um dessen Ermüdungsverhalten, d.h. seine Wöhlerlinie (Festigkeitsverhalten bei konstanter Amplitude) oder Gaßnerlinie (Festigkeitsverhalten bei variabler Amplitude) zu bestimmen. Diese Materialeigenschaften sind wichtige Kenngrößen für Simulationsmodelle der Betriebsfestigkeit. FEM-basierte Simulationsmodelle werden typischerweise in einem frühen Stadium des Produktdesigns verwendet, um Designalternativen zu bewerten oder mögliche Schwachstellen struktureller Komponenten zu identifizieren.
Die Überprüfung der Betriebsfestigkeit im Labor wird beginnend mit den ersten Prototypen von Bauteilen oder Komponenten durchgeführt. Ein Ermüdungsversuch zum Vergleich von Designvarianten in der Frühphase der Entwicklung kann auf einem einfachen Blockprogramm basieren. Im weiteren Verlauf werden reale, im Feld aufgezeichnete Lastdaten am Betriebsfestigkeitsprüfstand abgespielt, um das tatsächliche Ermüdungsverhalten der gewählten Konstruktion zu bestimmen und zu verifizieren.
Neben dem Dauerschwingversuch mit dem Ziel, das Ermüdungsverhalten des Prüflings zu bestimmen, wird auch ein statischer Belastungsversuch durchgeführt, um die maximale statische Beanspruchbarkeit des Prüflings zu ermitteln, z.B. als Zugversuch, Druckversuch, Biegeversuch oder Torsionsversuch. In einem Charakterisierungstest wird die Spannungsverteilung über die Struktur bestimmt, um ein FEM Modell zu validieren.
Vorteile
HBM bietet folgende Vorteile für den experimentellen Betriebsfestigkeitsnachweis:
- Komplette Messkette von Dehnungsmessstreifen über Messverstärker bis hin zu Datenerfassungssoftware mit perfekt aufeinander abgestimmten Komponenten
- Komplette Software-Lösung für die Anwendung, einsatzfähig ohne Programmieren
- Hohe Störfestigkeit gegenüber elektromagnetischer Einstrahlung und thermischer Drift durch Verwendung von Trägerfrequenz-Technologie, verteilbaren Messverstärker-Modulen und automatischer Anpassung auf allen Kanälen
- Kompensation von Kabeleffekten durch patentierte Messverstärker-Technologie mit 4-, 5- und 6-Leiterschaltung
- Breites Angebot elektrischer Dehnungsmessstreifen mit kurzen Lieferzeiten, inklusive verkabelter DMS für den sofortigen Einsatz
- Optische Dehnungsmessstreifen und Interrogatoren für Ermüdungsversuche von Verbundwerkstoffen mit sehr hohen Dehnungen
Screenshots der HBM Software catman
Spannenpaar-Zählung
Zählung: Online- und Post-Process Zyklen -Zählung des angelegten Lastkollektivs nach dem Spannenpaar-Verfahren, z.B. um Lastkollektive visuell zu vergleichen
Rainflow-Zählung
Online- und Post-Process Rainflow-Zählung des angelegten Lastkollektivs als Range-Mean-Matrix oder als From-To-Matrix
Trendgraphiken
Visualisierung der Maxima des Reaktion auf Stimuli (z.B. Weg über Kraft) für alle Zyklen, um einsetzende Schädigung des Prüflings zu erkennen, inklusive Warnmeldung bei Überschreiten der Toleranzgrenzen
Warnmeldungen bei unvorhergesehenen Ereignissen
E-Mail-, visuelle oder akustische Benachrichtigung des Nutzers und Log-Einträge, wenn Messwerte außerhalb des erwarteten Bereichs liegen
Spannungsanalyse
Vordefinierte Online und Post-Process-Berechnung der Hauptdehnungen und Hauptspannungen aus Messungen mit DMS-Rosetten
Einfache Kanaleinstellung
Schnelle und bequeme Kanalkonfiguration durch einfaches Drag-and-Drop des passenden DMS-Brückentyps aus der Sensordatenbank auf die einzustellenden Kanäle
Kanal-Check für DMS-Kanäle
Überprüfung von DMS-Kanälen auf korrekte Verkabelung durch Vergleich von gemessener und erwarteter Verstimmung bei Parallelschaltung eines Shunt-Widerstandes
Aufzeichnen ausgewählter Zyklen
Ablaufpläne zur Aufzeichnung ausgewählter Zyklen bei Langzeitversuchen (z.B.: jeden zehnten Zyklus aufzeichnen), inklusive automatischer Erkennung der Zyklen
Integration in Zwick Material-Prüfmaschinen
Integration ergänzender Spannungsmessungen mit auf der Probe applizierten DMS in Zwick Material-Prüfmaschinen, z.B. zur Verifizierung der Ausrichtung des Probenhalters oder für Compression After Impact (CAI) Untersuchungen von Verbundwerkstoffen
Optische Dehnungsmessung
Integration von Interrogatoren für optische Dehnungsmessstreifen und automatische Umrechnung der gemessenen Peak-Wellenlängen (in nm) in Dehnungen (in µm/m)
Aufzeichnen der Maxima und Minima der Zyklen
Ablaufpläne zur Aufzeichnung der Maxima und Minima der einzelnen Zyklen bei Langzeitversuchen (z.B.: Maxima und Minima aller Zyklen aufzeichnen, oder nur jedes zehnten Zyklus), inklusive automatischer Erkennung der Zyklen