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Die
Erfindung bezieht sich auf eine Einspannanordnung zur Einspannung
einer Flachprobe aus anisotropem Material, insbesondere Verbundmaterial.
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Langfasrige
Verbundwerkstoffe besitzen meist eine stark ausgeprägte mechanische
Anisotropie, d.h. das mechanische Verhalten ist richtungsabhängig.
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Zur
Bestimmung der Werkstoffkennwerte wie E-Modul, Querdehnzahl, Bruchspannung
und Bruchdehnung werden Proben aus dem Material ausgeschnitten,
in eine Prüfmaschine
eingespannt und entsprechend belastet (z.B. Zug- oder Druckbelastung), ähnlich wie
bei den Metallen. Besitzt ein solcher Werkstoff drei zueinander
senkrechte Symmetrie-Ebenen, wird das anisotrope Verhalten als orthotrop
bezeichnet. Wird der Werkstoff außerhalb seiner Materialsymmetrien
einachsig mechanisch belastet, erscheint außer der Längsdehnung und der Querdehnung
des Probekörpers
auch eine Schubdehnungskomponente, die zu einer Verzerrung der Probekörpergeometrie
führt.
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Der
Nachteil der festen Probekörpereinspannung
liegt darin, dass aufgrund des inhomogenen Verformungszustandes
die Bestimmung der Dehnungen je nach Probekörpergeometrie fehlerbehaftet sein
kann. Hinzu kommt, dass aufgrund von Spannungskonzentrationen in
der Nähe
der Einspannungen ein vorzeitiges Versagen der Probe auftreten kann
und somit eine genaue Bestimmung der Materialfestigkeit nicht möglich ist.
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Die
genaue Bestimmung der Materialfestigkeiten außerhalb der Materialsymmetrieachsen
ist von immenser Bedeutung, da die Bruchkriterienparameter für Faserverbundwerkstoffe
anhand solcher mechanischer Versuche identifiziert werden müssen. Die
Bruchkriterien sind zudem ein essentieller Faktor für die numerische
Simulation des Bruchverhaltens von Strukturen, die aus solchen Werkstoffen
gefertigt sind, d.h. eine solche Simulation ist ohne genaue Kenntnis
dieser Parameter nur sehr eingeschränkt verwendbar.
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Zur
Lösung
des Problems im Falle von gewalzten Stahlblechen, die eine schwache
Anisotropie aufweisen, ist ein Aufsatz von Boehler und El Aoufi bekannt.
Seine Veröffentlichungsangaben
lauten: Boehler, El Aoufi, "Le
probleme de la realisation correcte des essais hors-axes", Comportement des composites
a renfort tissus, Comportement dynamique des composites, pp. 83-100,
Pluralis, 1990. In diesem Aufsatz wird eine Zugversuchsvorrichtung vorgeschlagen,
die eine Rotation des Probekörpers im
Bereich der Einspannungen erlaubt. Diese Rotation erfolgt über sogenannte
Schneidenlagerungen, die reibungsfrei arbeiten. Der Probekörper kann
sich dadurch verformen. Diese Methode hat sich sehr gut für Materialien
bewährt,
deren Anisotropie relativ schwach ausgeprägt ist. Nimmt man hingegen
einen Faserverbundwerkstoff, stößt man mit
der einfachen Rotation der Probekörperenden auf Schwierigkeiten, da
die langen Fasern, die den Probekörper durchziehen, in diesem
Bereich einer starken Krümmung
ausgesetzt sind.
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Aus
der
EP 0 779 505 B1 ist
eine Einspannanordnung zur Einspannung einer Flachprobe aus anisotropem
Material, insbesondere Verbundmaterial, bekannt. Die Flachprobe
weist an ihren Enden einen ersten Einspannkopf und einen zweiten
Einspannkopf auf. Die Einspannanordnung umfasst eine erste Einspannvorrichtung
zur Einspannung des ersten Einspannkopfes der Flachprobe und eine
zweite Einspannvorrichtung zur Einspannung des zweiten Einspannkopfes
der Flachprobe. Die beiden Einspannvorrichtungen sind an den Enden
der Flachprobe entlang einer Kreisbogenführung frei beweglich angeordnet.
Der Einspannkopf der Flachprobe kann sich dabei um den Kreismittelpunkt
der Kreisbogenführung
drehen. Diese Drehbewegung ist alleinig vorgesehen, damit sich die
Verformungen der Probe den Belastungen der Probe angleichen können. Mit Nachteil
erzielt man jedoch keine große
Annäherung bezüglich einer
idealen Einspannung.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Einspannanordnung
zur Einspannung einer Flachprobe aus anisotropem Material zu schaffen,
mit der Materialkennwerte hoher Genauigkeit in einer Prüfmaschine
ermittelt werden können.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die
Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.
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Die
mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen darin, dass bei der
Einspannanordnung die Spannungen und diesbezügliche Verformungen weitestgehend
konform zueinander stehen. Dadurch erzielt man nahezu unverfälschte Messergebnisse,
beispielsweise beim Zugversuch. Im einzelnen ist die Einspannanordnung
zur Einspannung einer Flachprobe aus anisotropem Material, insbesondere
Verbundmaterial ausgebildet, wobei die Flachprobe an ihren Enden
einen ersten Einspannkopf und einen zweiten Einspannkopf aufweist.
Die Einspannanordnung umfasst eine erste Einspannvorrichtung zur Einspannung
des ersten Einspannkopfes der Flachprobe und eine zweite Einspannvorrichtung
zur Einspannung des zweiten Einspannkopfes der Flachprobe. Jede
Einspannvorrichtung umfasst eine Vielzahl von lamellenartigen Einspannbacken,
einen Innenrahmen und einen Außenrahmen,
derart, dass in Prüfbetriebsstellung
die Einspannbacken über
die Breite des jeweiligen Einspannkopfes verteilt angeordnet sind.
Jede Einspannbacke ist gegenüber
ihren benachbarten Einspannbacken verschieblich angeordnet. Ferner
stützt
sich jede Einspannbacke gegenüber
einer Gegenfläche
des Innenrahmens ab. Der Innenrahmen ist entlang einer Kippachse schwenkbar
in dem Außenrahmen
gelagert, wobei die Kippachse senkrecht zur Flachseite der Flachprobe
angeordnet ist und die Längsachse
der Flachprobe schneidet. Die Schwenkbarkeit des Innenrahmens und
die Verschieblichkeit der Einspannbacken ermöglichen es; dass sich die Verformungen
der Probe den Belastungen der Probe angleichen können. Dadurch vermeidet man
Spannungskonzentrationen in der Nähe der Einspannvorrichtung
und verhindert ein vorzeitiges Versagen der Probe.
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Gemäß einer
Ausgestaltung der Erfindung sind die Einspannbacken so ausgebildet,
dass die Einspannkräfte über die
Keilwirkung erzeugt werden. Dieses einfache Prinzip führt zu einer
einfachen und zuverlässigen
Gestaltung der Einspannvorrichtungen.
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Gemäß einer
weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist jede Einspannbacke einen
ersten und zweiten Innenkeil und einen ersten und zweiten Außenkeil
auf, derart, dass der erste und zweite Innenkeil die Flachprobe
umfassen und über
außen
angeordnete Keilflächen
mit zwei im Halterahmen gehalterten Außenkeilen korrespondieren.
Dies stellt die konstruktive Ausgestaltung des zuvor genannten Keilprinzips
zur Erzielung der Spannkräfte
dar.
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Gemäß einer
weiteren Ausgestaltung der Erfindung weisen, wenn man die Einspannbacken
von vorne nach hinten fortlaufend nummeriert, die Einspannbacken
mit einer geraden Zahl und die Einspannbacken einer ungeraden Zahl
zwar einen gleich großen
Keilwinkel, aber unterschiedlich breite Innenkeile und Außenkeile
auf und ergeben eine versetzte Anordnung. Die versetzte Anordnung
verhindert, dass sich benachbarte Einspannbacken in ihrer Verschieblichkeit
behindern.
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Gemäß einer
weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind die hintereinander liegenden
ersten Innenkeile und hintereinander liegenden zweiten Innenkeile über ein
hochelastisches Material miteinander verbunden. Mit dieser Maßnahme erleichtert
sich die Handhabung. Denn statt einer hohen Anzahl von Einzelteilen
hat man nur vier Einheiten. Diese vier Einheiten resultieren daher,
dass die hintereinander liegenden ersten Innenkeile, zweiten Innenkeile,
ersten Außenkeile
und zweiten Außenkeile über das hochelastische
Material miteinander verbunden sind. Neben dem Vorteil der verbesserten
Handhabung erzielt man den weiteren Vorteil, dass man eine weitere Annäherung an
eine ideale Einspannung erzielt. Denn das hochelastische Material
lässt auch
eine Querkontraktion der Flachprobe im Bereich der Einspannung zu.
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Gemäß einer
weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind die hintereinander liegenden
ersten Innenkeile und hintereinander liegenden zweiten Innenkeile über eine
Formschlussverbindung miteinander verbindbar. Dies stellt gegenüber der
vorangegangenen Ausgestaltung der Erfindung eine Alternative dar,
um die Handhabung zu verbessern. Die Formschlussverbindung kann
beispielsweise so gestaltet sein, dass die ersten Innenkeile, die
zweiten Innenkeile, die ersten Außenkeile und die zweiten Außenkeile
jeweils Bohrungen aufweisen, durch die vor dem Prüfbetrieb
ein Bolzen geführt
ist. Nach dem Zusammenbau der Einspannvorrichtungen und dem Einlegen
der Flachprobe werden die Bolzen entfernt.
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Ein
Ausführungsbeispiel
der Erfindung wird nachfolgend an Hand der Zeichnungen näher beschrieben.
Dabei zeigen jeweils nach Art von Prinzipskizzen:
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1 eine
Einspannvorrichtung zur Einspannung eines Einspannkopfes einer Flachprobe,
in perspektivischer Ansicht,
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1a eine
Teil-Seitenansicht der Einspannvorrichtung, entsprechend der in 1 eingezeichneten
Blickrichtung Ia,
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1b einen
Ausschnitt der in 1 gezeigten Einspannvorrichtung,
betreffend eine versetzte Anordnung der Einspannbacken,
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2 eine
Vorderansicht der Einspannvorrichtung,
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3 eine
Draufsicht der Einspannvorrichtung, entsprechend dem in 2 eingezeichneten Schnittverlauf
III-III,
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4 eine
Seitenansicht der Einspannvorrichtung, entsprechend dem in 2 eingezeichneten
Schnittverlauf IV-IV,
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5 eine
Einspannvorrichtung mit einer unbelasteten Flachprobe, in der Seitenansicht,
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6 die
in 5 gezeigte Einspannvorrichtung, jedoch mit einer
zugbelasteten Flachprobe,
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7 eine
unbelastete. Flachprobe, in der Seitenansicht,
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8 die
in 7 gezeigte, jedoch zugbelastete Flachprobe.
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Die 1 zeigt
den oberen Abschnitt einer Einspannanordnung zur Einspannung einer
Flachprobe 90 aus anisotropem Material, insbesondere Verbundmaterial.
Die Flachprobe 90 weist an ihren Enden einen ersten Einspannkopf 91 und
einen zweiten Einspannkopf auf. Zum Schutz der Einspannköpfe ist
die Flachprobe 90 in bekannter Weise mit Aufleimern 92 versehen.
Die Einspannanordnung umfasst eine erste, in der 1 dargestellte
Einspannvorrichtung 1 zur Einspannung des ersten Einspannkopfes 91 der
Flachprobe 90 und eine zweite Einspannvorrichtung zur Einspannung
des zweiten Einspannkopfes der Flachprobe 90. Wegen der
Spiegelbildlichkeit ist die zweite Einspannvorrichtung nicht mit
dargestellt. Die Einspannvorrichtung 1 umfasst eine Vielzahl
von lamellenartigen Einspannbacken 10, einen Innenrahmen 20 und
einen Außenrahmen 30.
Dabei sind die Einspannbacken 10 über die Breite des jeweiligen
Einspannkopfes 91 verteilt angeordnet. Ferner ist jede
Einspannbacke 10 gegenüber ihren
benachbarten Einspannbacken verschieblich angeordnet. Schließlich stützt sich
jede Einspannbacke 10 gegenüber einer Gegenfläche 22 des
Innenrahmens 20 ab. Mit 35 ist die mechanische
Schnittstelle zur Zugprüfmaschine
bezeichnet.
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Der
Innenrahmen 20 ist entlang einer Kippachse 25 schwenkbar
in dem Außenrahmen 30 gelagert,
und zwar so, dass die Kippachse 25 senkrecht zur Flachseite
der Flachprobe 90 angeordnet ist und die Längsachse
der Flachprobe 90 schneidet. Die Schwenkbarkeit des Innenrahmens 20 und
die Verschieblichkeit der Einspannbacken 10 ermöglichen es,
dass sich die Verformungen des Einspannkopfes 91 der Probe 90 den
Belastungen der Probe angleichen können.
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Die
Einspannbacken 10 sind so ausgebildet, dass die Einspannkräfte über die
Keilwirkung erzeugt werden. Hierzu weist jede Einspannbacke 10 einen ersten
Innenkeil 11a, einen zweiten Innenkeil 11b, einen
ersten Außenkeil 12a und
einen zweiten Außenkeil 12b auf.
Der erste Innenkeil 11a und zweite Innenkeil 11b umfassen
den Einspannkopf 91 der Flachprobe 90 und korrespondieren über außen angeordnete
Keilflächen
mit zwei im Innenrahmen 20 gehalterten Außenkeilen 12a und 12b.
Die Keilflächen
sind mit einem Schmiermittel versehen.
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Die
Halterung der Außenkeile 12a und 12b im
Innenrahmen 20 erfolgt über
Gegenflächen.
In 1 ist die Gegenfläche 22 des Innenrahmens 20 eingezeichnet.
Um die Gegenfläche 22 in
der 1 sichtbar zu machen, wurde eine Ecke des Innenrahmens 22 zeichnerisch
herausgeschnitten und drei der vorderen Außenkeile 12b weggelassen.
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Die 1a illustriert
die Funktion der Schneidenlagerung. Die Schneidenlagerung dient
dazu, den Innenrahmen 20 entlang der Kippachse 25 schwenkbar
in dem Außenrahmen 30 zu
lagern. Dargestellt ist zunächst
der Außenrahmen 30 mit
der ersten keilförmigen
Aussparung 31a. Diese Aussparung 31a nimmt die
ebenfalls keilförmige
Schneide 21a auf, die Teil des Innenrahmens 20 ist.
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Die 1b illustriert
den Aufbau der Einspannbacken 10. Die hintereinander liegenden
ersten Innenkeile 11a und hintereinander liegenden zweiten
Innenkeile 11b sind über
ein hochelastisches Material 15a und 15b miteinander
verbunden. Dadurch erhält
man vier leicht zu handhabende Einheiten hinsichtlich der ersten Innenkeile 11a,
der zweiten Innenkeile 11b, der ersten Außenkeile 12a und
zweiten Außenkeile 12b.
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Alternativ
käme auch
die nicht dargestellte Lösung
in Frage, die hintereinander liegenden ersten Innenkeile 11a und
hintereinander liegenden zweiten Innenkeile 11b über eine
Formschlussverbindung miteinander zu verbinden. Die ersten Innenkeile,
die zweiten Innenkeile, die ersten Außenkeile und die zweiten Außenkeile
könnten
jeweils Bohrungen aufweisen, durch die vor dem Prüfbetrieb
ein Bolzen geführt
ist, so dass wiederum vier leicht zu handhabende Einheiten entstehen.
Vor dem Prüfbetrieb
sind diese Bolzen zu entfernen.
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Während die 1 dreidimensional
die Einspannvorrichtung darstellt, betreffen die 2 bis 4 zweidimensionale
Ansichten. Zweck der 2 bis 4 ist es,
den Innenrahmen 20 mit den darin angeordneten Einspannbacken 10,
die Flachprobe 90 und die Kippachse 25 zu illustrieren.
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Die 2 zeigt
besonders gut die erste Schneide 21a und zweite Schneide 21b des
Innenrahmens. In Prüfbetriebsstellung
sind die vorgenannten Schneiden im Eingriff mit den Aussparungen 31a und 31b (1)
des Außenrahmens 30,
der in den 2 bis 4 nicht
mit dargestellt ist.
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Die 2 bis 4 zeigen
auch den Verlauf der Kippachse 25 in Bezug zu der eingespannten Flachprobe.
Die Kippachse 25 ist senkrecht zur Flachseite der Flachprobe 90 angeordnet
ist und schneidet die Längsachse
der Flachprobe 90. Ferner ist die Kippachse 25,
wie besonders deutlich in 2 zu sehen,
in der Ebene der Gegenflächen 22 angeordnet.
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Die 5 und
die darunter angeordnete 7 illustrieren eine unbelastet
Probe. Die Seitenansicht nach 5 stellt
gegenüber
der detailreichen Seitenansicht nach 4 eine vereinfachte
Skizze dar.
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In 7 ist
die Anisotropie dadurch ersichtlich, dass die Materialsymmetrieachse
v und die Belastungsrichtung x in einem Winkel zueinander stehen.
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Die 6 und
die darunter angeordnete 8 illustrieren im Gegensatz
zu den vorgenannten 5 und 6 den Fall
einer belasteten Probe. Daraus wird deutlich, dass mit der diesseitigen
Einspannanordnung eine nahezu ideale Einspannung erzielt wird. Die
Ebene der Gegenflächen 22 kann sich
frei um die Kippachse 25 verschenken, um der Schubdehnungskomponente
einer sich verformenden Flachprobe Rechnung zu tragen. Die bei der
idealen Probeneinspannung auftretende Querkontraktion kann durch
das hochelastische Material 15a und 15b (nur in 1b dargestellt)
zwischen den Einspannbacken 10 kompensiert werden.
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Die 1 bis 6 stellen
lediglich Prinzipskizzen dar. Einzelheiten sind nicht mit dargestellt.
Zu den Einzelheiten gehört
beispielsweise, dass der Außenrahmen 30 aus
einem Querstück
und anschraubbaren Schenkeln gebildet ist. Dies ist notwendig, um den
Zusammenbau der Einspannvorrichtung zu ermöglichen.
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- 1
- erste
Einspannvorrichtung
- 10
- Einspannbacke
- 11a
- erster
Innenkeil
- 11b
- zweiter
Innenkeil
- 12a
- erster
Außenkeil
- 12b
- zweiter
Außenkeil
- 15a
- hochelastisches
Material
- 15b
- hochelastisches
Material
- 20
- Innenrahmen
- 21a
- erste
Schneide
- 21b
- zweite
Schneide
- 22
- Gegenfläche
- 25
- Kippachse
- 30
- Außenrahmen
- 31a
- erste
Aussparung für
Schneidenlagerung
- 31b
- zweite
Aussparung für
Schneidenlagerung
- 90
- Flachprobe
- 91
- erster
Einspannkopf
- 92
- Aufleimer
- Ia
- Ansicht
- v
- Materialsymmetrieachse
- x
- Belastungsrichtung