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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 Verformugszustandes 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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Die
DE 100 18 608 A1 zeigt eine Einspannanordnung, die zur Einspannung einer Flachprobe aus anisotropem Material, insbesondere Verbundmaterial, ausgebildet ist. 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. Jede Einspannvorrichtung umfasst beidseitig wirkende Einspannbacken. Die Einspannbacken weisen als Kontaktfläche zur Flachprobe angeformte Lamellen auf. Die angeformten Querlamellen verlaufen quer zur Längsachse der Flachprobe. Die Querlamellen verhindern ein vorzeitiges Versagen der Flachprobe.
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Die
EP 0 480 498 A1 offenbart eine Einspannanordnung für Proben, insbesondere Stahldrähte. Die Einspannanordnung umfasst eine erste Einspannvorrichtung zur Einspannung des einen Endes der Probe und eine zweite Einspannvorrichtung zur Einspannung des anderen Endes der Probe. Jede Einspannvorrichtung umfasst zwei gegenüberliegende, keilförmige Einspannbacken, die sich gegenüber einem Rahmen abstützen.
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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
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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 dann 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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Bezugszeichenliste
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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
