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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, supplément 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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Aus der
DE 42 25 233 A1 ist eine militärische Abwehreinrichtung bekannt. Die Abwehreinrichtung umfasst einen elektromagnetischen Spulenbeschleuniger, der an einen elektrischen Hochenergiespeicher angeschlossen ist. Der elektromagnetische Spulenbeschleuniger beschleunigt einen Wurfkörper, der einen Täuschkörper aufweisen kann. Der elektromagnetische Spulenbeschleuniger gehört zur Kategorie der koaxialen Spulenbeschleuniger, bei der eine ortsfeste Statorspule eine koaxial hierzu angeordnete Translatorspule bewegt.
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Die
US 5 869 911 A zeigt eine Prüfeinrichtung zur hochdynamischen Werkstoffprüfung. Die Prüfeinrichtung umfasst nur einen einzigen elektromagnetischen Beschleuniger. Mit dem einzigen elektromagnetischen Beschleuniger werden ein erster Probenkörper und ein zweiter Probenkörper aufeinander zu beschleunigt. Der einzige elektromagnetische Beschleuniger ist an einem elektrischen Hochenergiespeicher angeschlossen. Innerhalb einer ortsfesten Primärspule ist eine ebenfalls ortsfeste Sekundärspule angeordnet. Die beiden Prüfkörper sind gegenüberliegende, beweglich gehalterte Abschnitte der inneren Sekundärspule. In der inneren Sekundärspule werden hohe, nach innen gerichtete Radialkräfte erzeugt, die auf die beiden Prüfkörper einwirken und diese nahezu gleichzeitig radial nach innen aufeinander zu beschleunigen.
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Der Erfindung liegt gegenüber der letztgenannten
US 5 869 911 A die Aufgabe zugrunde, eine alternative Prüfeinrichtung zu schaffen, bei der ebenfalls die beiden Probenkörper gleichzeitig aufeinander zu beschleunigt werden.
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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. 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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Bezugszeichenliste
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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
