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Die
Erfindung betrifft eine Prüfeinrichtung
zur hochdynamischen Werkstoffprüfung.
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Für die dynamische
Belastung von Materialproben im Bereich der werkstoffkundlichen
Grundlagenforschung und zum Messen des Materialverhaltens bei hohen
Dehnungsgeschwindigkeiten stehen mehrere Prüfmethoden zur Verfügung (Ohlson,
N.G., "Experimental
Methods in Biaxial Loading at High Strain Rates", DYMAT 1985, Journal de Physique, supplement
au No. 8, Tome 46). Zu solchen Verfahren, die über den Gültigkeitsbereich der klassischen Materialprüfmethoden,
wie z.B. Pendelschlagwerke, hinausführen, gehören der dynamische Ringaufweitversuch,
das Verfahren nach Hopkinson oder das dynamische Aufstauchen. Darüber hinaus
gibt es eine Fülle
elektrodynamischer Prüfapparaturen,
die mehr oder weniger gut für
hochdynamische Belastungsfälle
geeignet sind.
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Der
klassische TAYLOR-Test (Taylor, G.I., "The use of flat-ended projectiles for
determining dynamic yield stress, I. Theoretical considerations", Proc. Royal Soc.,
London 194A (1948), pp. 289-299) erfolgt in der Weise, dass ein
zylindrischer Probenkörper
auf eine bestimmte Geschwindigkeit (10 ... 250 m/s) gebracht wird
und dann mit einem möglichst starren,
quasi halbunendlichen Zielblock kollidiert. Dabei wird die trompetenartige
Aufweitung der Probenstirnseite mit Hilfe schneller Kameras registriert und
die zeitveränderliche
Kontur entsprechend der von TAYLOR vorgeschlagenen Methode ausgewertet.
Der wesentliche Nachteil dieser Vorgehensweise besteht darin, dass
zwischen der Probenstirnseite und dem Zielblock nicht definierbare
Reibungskräfte auftreten,
die einer grundsätzlichen
Verbesserung der TAYLORschen Theorie entgegenstehen. Die Reibung
kann je nach den Bedingungen der Versuchsdurchführung die Ergebnisse sehr stark
beeinflussen und sogar verfälschen,
da insgesamt zu große
Spannungen gemessen werden. Die Reibung lässt sich bisher nur durch Maßnahmen,
wie die Verwendung von Schmierstoffen oder einer Probengeometrie
mit sehr großem
L/D-Verhältnis,
verringern. Die Größe der Reibung
beeinflusst auch den hydrostatischen Spannungszustand, der wiederum
bei dynamischen Druckversuchen für
den Beginn der adiabatischen Scherbandbildung verantwortlich ist.
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Als
sehr viel vorteilhafter wird die Kollision zweier identischer Probenkörper gesehen,
so dass an deren Stirnseiten auch identische Deformationen ohne
Reibungseinflüsse
beobachtet werden können. Auf
internationaler Ebene bestand der Wunsch nach einem symmetrischen
Taylor-Test. Eine diesbezügliche
Prüfeinrichtung
zur hochdynamischen Werkstoffprüfung,
die nicht vom Anmelder realisiert wurde und zu der dem Anmelder
kein veröffentlichter
Stand der Technik vorliegt, umfasst einen ersten und einen zweiten
Beschleuniger. Der erste Beschleuniger ist zur Beschleunigung eines
ersten Probenkörpers
ausgebildet und der zweite Spulenbeschleuniger ist zur Beschleunigung
eines zweiten Probenkörpers
ausgebildet. Die Beschleuniger sind gegenüberliegend angeordnet, derart,
dass der erste und zweite Probenkörper aufeinander zu beschleunigbar
sind. Zwischen dem ersten und zweiten Spulenbeschleuniger ist eine
Sensoreinrichtung angeordnet, derart, dass Sensordaten einer Kollision
des ersten und zweiten Probenkörpers
aufzeichenbar sind. Problematisch ist bislang jedoch die experimentelle
Durchführung,
da die Beschleuniger durch Pressluftkanonen gebildet werden. Aufgrund
des sehr engen Beobachtungs- und Zeitfensters (ca. 30 × 30 mm2, Δt < 50 μs) ist es aufgrund
der Zündungenauigkeit
(einige Millisekunden) der Pressluftkanonen kaum möglich, eine
reproduzierbare, hinreichend präzise
und gleichzeitige Auslösung
zu erzielen, was zu erheblichen Ausfallraten führt.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ausgehend von der letztgenannten
Prüfeinrichtung, bei
der der erste und zweite Probenkörper
aufeinander zu beschleunigt werden, den ersten Beschleuniger und
den zweiten Beschleuniger so auszubilden, dass eine nahezu gleichzeitige
Beschleunigung der beiden Probenkörper möglich ist.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die
Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.
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Der
mit der Erfindung erzielte Vorteil besteht darin, dass mit der Prüfeinrichtung
eine absolut symmetrische, impulsförmige Belastung zweier Probenkörper möglich wird.
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Dies
zeigt sich während
des Stauchvorganges der beiden Probenkörper, bei dem Dehnungsgeschwindigkeiten
von deutlich über
104 m/s auftreten können. Die Prüfeinrichtung
schafft die entscheidende Voraussetzung für die Durchführung symmetrischer
TAYLOR-Tests, die darin besteht, dass zwei identische Probenkörper innerhalb
eines definierten Beobachtungsfensters der Sensorvorrichtung reproduzierbar
zur Kollision gebracht werden können.
Darüber
hinaus ist es vorteilhaft, dass die Beschleunigung der Probenkörper auf
elektromagnetischem Wege erfolgt, da sich derartige Antriebssysteme grundsätzlich auf
elektronischem Wege steuern lassen und hinsichtlich der Belastungsmöglichkeiten eine
höhere
Flexibilität
bieten. Im Bedarfsfalle können
zur Vermeidung unzulässiger
Kraftspitzen während
der Beschleunigungsphase die in die Spulen der Spulenbeschleuniger
eingespeisten Stromimpulse auf unterschiedliche Weise geformt bzw. "synthetisiert" werden, so dass
sich auch sanfte Beschleunigungen einstellen lassen.
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Bei
der Prüfeinrichtung
werden die entstehenden Kräfte
durch die in den Beschleunigungskonduktoren induzierten Ströme erzeugt,
die sich von den Magnetfeldern der beiden elektromagnetischen Spulenbeschleunigern
abstoßen.
Die physikalische Grundlage ist also durch das Induktionsgesetz
oder Wirbelstromprinzip gegeben. Bekanntermaßen ist das Induktionsprinzip
einerseits für
hochfrequente dynamische Belastungsarten geeignet und gestattet andererseits
die Erzeugung von sehr hohen Kräften. So
lassen sich beispielsweise Belastungsfälle vorgeben und simulieren,
wie sie lediglich bei endballistischen Wechselwirkungen oder kosmischen
Impaktvorgängen
auftreten.
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Gemäß einer
Ausgestaltung der Erfindung erfolgt die Beschleunigung des ersten
bzw. zweiten Probenkörpers
mittelbar über
einen ersten bzw. zweiten Beschleunigungskonduktor, die jeweils
aus einem elektrisch gut leitenden Material bestehen und die jeweils
einerseits mit einem der beiden Spulenbeschleuniger korrespondieren
und andererseits eine mechanische Schnittstelle zu einem der beiden
Probenkörper
aufweisen. Hiermit ermöglicht
man es, auch Probenkörper
aus Materialien, die den elektrischen Strom schlecht leiten, prüfen zu können.
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Gemäß einer
weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind zwischen dem ersten und
zweiten Spulenbeschleuniger ein erster und zweiter Abstreifring angeordnet,
derart, dass im Prüfbetrieb
nach der Beschleunigung und vor der Kollision der Probenkörper der
erste Abstreifring den ersten Beschleunigungskonduktor und der zweite
Abstreifring den zweiten Beschleunigungskonduktor zurückhält. Mit
dieser Maßnahme
vermeidet man eine mögliche
Verfälschung
der Versuchsergebnisse durch die Beschleunigungskonduktoren.
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Gemäß einer
weiteren Ausgestaltung der Erfindung besteht jeder Probenkörper aus
einem elektrisch gut leitenden Material und weist einen integrierten
Beschleunigungskonduktor-Abschnitt auf. Hierdurch vereinfacht sich
die Versuchsdurchführung.
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Gemäß einer
weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind der erste und zweite Spulenbeschleuniger
in einem Rahmen gehaltert. Ein Rahmen, insbesondere ein umlaufender,
geschlossener Rahmen, stellt eine konstruktiv kostengünstige Möglichkeit
dar, die während
der Beschleunigung der Probenkörper auftretenden
Beschleunigungskräfte
aufzunehmen.
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Gemäß einer
weiteren Ausgestaltung der Erfindung umfasst jeder Spulenbeschleuniger
eine Kegelspule. Gegenüber
einer Flachspule erzielt man hiermit eine weichere Beschleunigung
des Probenkörpers.
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Gemäß einer
weiteren Ausgestaltung der Erfindung umfasst jeder Spulenbeschleuniger
eine Zylinderspule. Mit dieser Maßnahme verringert man nochmals
die mechanische Belastung des Probenkörpers während seiner Beschleunigung.
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Die
Erfindung wird nachfolgend an Hand mehrerer in den Zeichnungen dargestellter
Ausführungsbeispiele
näher erläutert. Dabei
zeigen:
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1 eine
Prüfeinrichtung
für eine
hochdynamische Werkstoffprüfung,
mit einer Flachspule und in Beschleunigungskonduktoren gehalterten
Probenkörpern,
dargestellt als Prinzipskizze;
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1b die
in 1 gezeigte Flachspule als perspektivische Einzelteildarstellung;
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2 eine
Prüfeinrichtung, ähnlich wie
in 1, wobei jedoch jeder Probenkörper einen integrierten Beschleunigungskonduktor-Abschnitt
aufweist, dargestellt als Prinzipskizze;
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3 eine
weitere Prüfeinrichtung,
diesmal mit einer Kegelspule, dargestellt als Prinzipskizze;
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4 eine
weitere Prüfeinrichtung,
hier mit einer Zylinderspule, dargestellt als Prinzipskizze.
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1 zeigt
eine Prüfeinrichtung 1 zur
hochdynamischen Werkstoffprüfung,
mit folgenden Merkmalen:
- • die Prüfeinrichtung 1 umfasst
einen ersten und einen zweiten elektromagnetischen Spulenbeschleuniger 10a und 10b,
- • der
erste Spulenbeschleuniger 10a ist zur Beschleunigung eines
ersten Probenkörpers 20a ausgebildet,
- • der
zweite Spulenbeschleuniger 10b ist zur Beschleunigung eines
zweiten Probenkörpers 20b ausgebildet,
- • die
Spulenbeschleuniger 10a und 10b sind gegenüberliegend
angeordnet, derart, dass der erste und zweite Probenkörper 20a und 20b aufeinander
zu beschleunigbar sind,
- • zwischen
dem ersten und zweiten Spulenbeschleuniger 10a und 10b ist
eine Sensorvorrichtung angebracht, derart, dass Sensordaten einer Kollision
des ersten und zweiten Probenkörpers 20a und 20b aufzeichenbar
sind,
- • der
erste und zweite elektromagnetische Spulenbeschleuniger 10a und 10b ist
an einen elektrischen Hochenergiespeicher 40 angeschlossen.
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Die
beiden Spulenbeschleuniger 10a und 10b umfassen
je eine Spule in Form einer Flachspule 11a und 11b.
Die Spulen stellen die Induktoren dar. Jede Spule oder jeder Induktor
ist in einem nichtleitenden Spulenträger 15a und 15b eingebettet,
der beispielsweise aus GFK gefertigt sein kann.
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Die
Beschleunigung des ersten bzw. zweiten Probenkörpers 20a und 20b erfolgt
mittelbar über
einen ersten bzw. zweiten Beschleunigungskonduktor 30a und 30b,
die jeweils aus einem elektrisch gut leitenden Material bestehen
und die jeweils einerseits mit einem der beiden Spulenbeschleuniger 10a und 10b korrespondieren und
andererseits eine mechanische Schnittstelle zu einem der beiden
Probenkörper 20a und 20b aufweisen.
Die Beschleunigungskonduktoren 30a und 30b sind
jeweils konisch und verjüngen
sich vom Durchmesser der Flachspule 11a bzw. 11b auf
den Durchmesser des zylindrischen Probenkörpers 20a bzw. 20b.
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Zum
Auffangen der Rückstoßkräfte sind
beide Spulenbeschleuniger 10a und 10b in einem
Rahmen (nicht mit eingezeichnet), insbesondere einem massiven Stahlrahmen,
gehaltert, der gleichzeitig das ruhende Laborsystem bildet.
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Beide
Flachspulen 11a und 11b sind elektrisch in Reihe
geschaltet und lassen sich zum gewünschten Zeitpunkt über einen
Hochenergieschalter 41 mit einem aufgeladenen elektrischen
Hochenergiespeicher 40, vorzugsweise einem hochenergiedichten
Kondensator, verbinden. Aufgrund der dann einsetzenden impulsförmigen Stromentladung
werden in den Beschleunigungskonduktoren 30a und 30b Wirbelströme induziert,
die so mit dem Magnetfeld der jeweiligen Spulen der Spulenbeschleuniger 10a und 10b wechselwirken,
dass nach der LENZschen Regel abstoßende Kräfte entstehen. Da die Probenkörper 20a und 20b formschlüssig in
den Beschleunigungskonduktoren 30a und 30b eingelassen sind,
werden diese mitbeschleunigt und auf diese Weise in der Mitte des
Beobachtungsfensters 60 der Sensorvorrichtung zur Kollision
gebracht.
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Zwischen
dem ersten und zweiten Spulenbeschleuniger 10a und 10b sind
ein erster und zweiter Abstreifring 70a und 70b angeordnet,
derart, dass im Prüfbetrieb
nach der Beschleunigung und vor der Kollision der Probenkörper 20a und 20b der
erste Abstreifring 70a den ersten Beschleunigungskonduktor 30a und
der zweite Abstreifring 70b den zweiten Beschleunigungskonduktor 30b zurückhält.
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Dies
dient dazu, um den Einfluss der in den Beschleunigungskonduktoren 30a und 30b gespeicherten
kinetischen Energie auf den gewünschten Deformationsvorgang
an den Stirnflächen
der Probenkörper 20a und 20b zu
vermeiden.
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Offensichtlich
bilden die beiden in Reihe liegenden Flachspulen 11a und 11b zusammen
mit dem elektrischen Hochenergiespeicher 40 in Form des
Kondensators einen Schwingkreis, in dem sich eine oszillatorische
Stromentladung einstellt, deren Abklingkonstante durch die Induktivitäten und
Wirkwiderstände
im gesamten Entladekreis bestimmt wird. Für den Fall, dass sich der oszillierende
Stromverlauf und damit einhergehend auch der (oszillierende) Kraftverlauf
störend
auf die Probenkörper 20a und 20b auswirkt,
kann zusätzlich
eine Diode 42, insbesondere eine "Crowbar"-Diode, in den Entladekreis eingeschaltet
werden, die dann einen einseitigen Stromimpuls erzwingt.
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Die
in 1 gezeigte Prüfeinrichtung 1 eignet
sich generell für
die Beschleunigung beliebiger Probenkörper, also auch für Isolatoren.
Besteht das zu untersuchende Probenmaterial jedoch aus einem elektrisch
gut leitenden Material (Aluminium-, Kupfer-, Silberlegierungen),
dann kann jeder Probenkörper 20a und 20b,
wie in 2 gezeigt, einen integrierten Beschleunigungskonduktor-Abschnitt 25a und 25b aufweisen.
Während 1 die
Differenzialbauweise widerspiegelt, bei der getrennte Bauteile mit
unterschiedlichen Funktionen vorliegen, nämlich die Probenkörper 20a und 20b und
die Beschleunigungskonduktoren 30a und 30b, zeigt
die 2 die Integralbauweise. Dort erfüllt das
Bauteil in Form des Probenkörpers
mehrere Funktionen. Wie dargestellt, umfasst der Probenkörper 20a und 20b einstückig verbunden
einen Beschleunigungskonduktor-Abschnitt 25a und 25b,
der mit dem Spulenbeschleuniger 10a und 10b korrespondiert.
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Als
Induktoren werden im einfachsten Falle Flachspulen verwendet, die
sich durch sehr kurze Beschleunigungswege von wenigen Millimetern
auszeichnen. Dies bedeutet aber auch, dass selbst zum Erreichen
von relativ moderaten Geschwindigkeiten von bis zu maximal 250 m/s
bereits Beschleunigungen in der Größenordnung von 3·106 m/s2 und mehr vorliegen.
Da derartige Beschleunigungen unter Umständen aber selbst Stoßwellen
in den Proben hervorrufen, die einen störenden Einfluss auf das weitere
Werkstoffverhalten haben können,
sollten vorzugsweise andere Spulengeometrien zum Einsatz kommen,
die sich durch sehr viel längere
Beschleunigungswege und damit durch sehr viel "sanftere" Antriebskräfte auszeichnen. So zeigen
die 3 und 4 entsprechend modifizierte
Vorrichtungen.
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Jeder
Spulenbeschleuniger 10a bzw. 10b gemäß 3 umfasst
jeweils eine Kegelspule 12a bzw. 12b, bei denen
die Länge
des Beschleunigungsweges über
den Kegelöffnungswinkel α voreingestellt werden
kann. Die Geometrie der Beschleunigungskonduktoren 30a und 30b ist
denen der Spulen 12a und 12b entsprechend anzupassen,
um eine möglichst
gute magnetische Kopplung beider Systeme und damit einen möglichst
hohen elektromechanischen Gesamtwirkungsgrad zu erzielen. Entsprechendes
gilt für
die Beschleunigungskonduktor-Abschnitte 25a und 25b im
Ausführungsbeispiel
nach 2. Eine Optimierung ist jedoch bei einer Laborprüfeinrichtung
nicht notwendiger Weise erforderlich. Für die hier zu betrachtende
erfindungsgemäße Prüfeinrichtung
sind ohnehin nur elektrische Antriebsenergien in der Größenordnung
bis etwa 10 kJ notwendig, die beim heutigen Stand der Technik ein
Kondensatorvolumen von etwa 6-8 dm3 erfordern.
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4 zeigt
schließlich
die Verwendung von Zylinderspulen 13a und 13b,
die bekanntermaßen über den
größten Beschleunigungsweg
verfügen
und somit eine minimale Schockbelastung der Probenkörper 20a und 20b während der
Beschleunigungsphase gewährleisten.
Die Amplitude der Antriebskraft lässt sich generell über die
Ladespannung bzw. die elektrisch gespeicherte Energie im Hochenergiespeicher 40 in
Form des Kondensators vorgeben. Zudem kann deren Zeitverlauf über die
Länge der
Zylinderspule 13a und 13b und den darin eintauchenden
Teil des Beschleunigungskonduktors 30a und 30b,
der maximal bis zur Spulenmitte reichen darf, eingestellt werden.
Hinsichtlich des Auffangens der Reaktionskräfte beim Beschleunigen der
in den Beschleunigungskonduktoren 30a und 30b angeordneten
Probenkörper 20a und 20b illustriert 4 den
Rahmen 50, in dem der erste und zweite Spulenbeschleuniger 10a und 10b gehaltert
sind.
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Grundsätzlich ist
es möglich,
durch geeignete pulsformende Netzwerke, wie sie in mannigfacher Zahl
aus der Energieelektronik bekannt sind, den Stromimpuls zu steuern.
Dabei lassen sich vorzugsweise Halbleiterbauelemente und weitere
energiespeichernde Zweipole (Kondensatoren, Spulen) verwenden. Überhaupt
empfiehlt sich der Einsatz von Thyristoren als Hochenergieschalter,
da diese aufgrund ihrer außerordentlich
geringen Triggerungenauigkeit (Jitter) von weniger als ±50 Nanosekunden eine
sehr präzise
Auslösung
der Registriergeräte (Transientenspeicher
zur Strommessung, Cranz-Schardin-Funkenzeitlupen, Highspeed- Kameras,
usw.) erlauben.
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Eine
technische Umsetzung der Prüfeinrichtung
zur hochdynamischen Werkstoffprüfung
kann, aufgrund der zu applizierenden, vergleichsweise geringen elektrischen
Energien, mit handelsüblichen Komponenten
der Leistungselektronik erfolgen. So können die erforderlichen Hochenergiespeicher
in Form der Kondensatoren beispielsweise von den Firmen MAXWELL,
HAEFELY, ATESYS, TPC oder VISHAY bezogen werden. Als Schaltelemente
oder Schließschalter
sollten vorzugsweise Halbleiterbauelemente verwendet werden, wie
sie bei ABB, SIEMENS oder EUPEC verfügbar sind. Hinsichtlich der Antriebsspulen
kommen Exemplare der Firmen MAGNET-MOTOR (D), BARRAS-PROVENCE (F)
oder HUGHES Ltd. (UK) in Betracht. Zum Auffangen der von den Flachspulen
erzeugten Rückstoßkräfte eignen
sich vorzugsweise GFK-Supports, die ihrerseits problemlos in einen
massiven Stahlrahmen eingelegt werden können. Für die Zuleitungskabel, die
einen impulsförmigen
Strom von maximal einigen wenigen Kiloampere tragen müssen, empfiehlt
sich der Einsatz koaxialer Hochstromkabel, wie sie beispielsweise
von FELTON & GUILLAUME
gefertigt werden.
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- 1
- Prüfeinrichtung
- 10a,
10b
- Spulenbeschleuniger
- 11a,
11b
- Flachspule
- 12a,
12b
- Kegelspule
- 13a,
13b
- Zylinderspule
- 15a,
15b
- Spulenträger
- 20a,
20b
- Probenkörper
- 25a,
25b
- Beschleunigungskonduktor-Abschnitt
- 30a,
30b
- Beschleunigungskonduktor
- 40
- elektrischer
Hochenergiespeicher
- 41
- Hochenergieschalter
- 42
- Diode
- 50
- Rahmen
- 60
- Sensorvorrichtung
- 70a
- Abstreifring
- 70b
- Abstreifring