DE102007010426B4

DE102007010426B4 - Prüfvorrichtung für Proben unter Stoßbelastung

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Publication number: DE102007010426B4
Application number: DE200710010426
Authority: DE
Inventors: Ortwin Prof. Dr.-Ing. Hahn; Matthias Dipl.-Ing. Wißling; Tobias Dipl.-Ing. Düpmeier
Original assignee: Individual
Current assignee: Universitaet Paderborn
Priority date: 2007-03-01
Filing date: 2007-03-01
Publication date: 2008-11-13
Anticipated expiration: 2027-03-02
Also published as: DE102007010426A1; DE102007058702A1

Abstract

Prüfvorrichtung zur Ermittlung geschwindigkeitsabhängiger Verbindungskennwerte einer Probe unter Stoßbelastung, wobei die Probe in einer Einspannstrecke gefasst ist, in der ein in einer Beschleunigungsvorrichtung (4) über eine Vorlaufstrecke beschleunigter Kolben (18) die Belastung in Form eines im Wesentlichen elastischen Stoßes auf die Probe (2) überträgt, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschleunigungsvorrichtung (4) einen Prüfzylinder (20) besitzt, dessen Ende (19) konusförmig ausgebildet ist, sowie einen entsprechend angepassten konusförmigen Kolben (18), zwischen denen ein Dämpfungselement (21) wirkt, und damit durch eine bestimmte Integration eines plastischen Stoßanteils mittels des Dämpfungselementes (21) und durch ein definiertes Verhältnis der zur Beschleunigung der Kolbenmasse benötigten Energie zu der Bruchenergie der Probe die Ermittlung von Kraft-Weg- oder Kraft-Zeit-Verläufen bei annährend konstanter Verformungsgeschwindigkeit während des Probenversagens und ohne nennenswerte Überlagerung von Schwingungen aus Prellvorgängen erreicht wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine Prüfvorrichtung zur Ermittlung geschwindigkeitsabhängiger Verbindungskennwerte einer Probe unter Stoßbelastung, wobei die Probe in einer Einspannstrecke gefasst ist, in der ein in einer Beschleunigungsvorrichtung über eine Vorlaufstrecke beschleunigter Kolben die Belastung in Form eines im Wesentlichen elastischen Stoßes auf die Probe überträgt.
Die Kenntnis über den Widerstand, die Verformbarkeit und das Arbeitsaufnahmevermögen von Werkstoffen und Werkstoffverbindungen bei Beanspruchungen mit hohen Geschwindigkeiten ist für viele industrielle Bereiche wie Automobilbau, Ballistik, Fertigungstechnik, Bauwesen sowie Luft- und Raumfahrt hinsichtlich der Werkstoffbeanspruchbarkeit und der Sicherheit von höchster Bedeutung.
Bei Produkten der Verkehrstechnik allgemein und insbesondere bei Produkten des Automobilbaus gewinnt die Crashsicherheitsbewertung von Bauteilen vor dem Hintergrund gestiegener Anforderungen an den Insassenschutz zunehmend eine zentrale Bedeutung. Um eine solche Crashsicherheitsbewertung in der Entwicklungsphase neuer Fahrzeugstrukturen mit der geforderten hohen Vorhersagegenauigkeit durchführen zu können, ist eine Kenntnis des genauen Festigkeits- und Verformungsverhaltens von Werkstoffen und gefügten Verbindungen unter hohen Belastungsgeschwindigkeiten notwendig. Zur experimentellen Ermittlung dieses Festigkeits- und Verformungsverhaltens werden Prüfvorrichtungen mit einem entsprechenden Geschwindigkeitsprofil eingesetzt. An eine solche Prüfvorrichtung zur Ermittlung von Kennwerten unter Stoßbelastung sind sehr hohe Anforderungen gestellt. Dynamische Effekte während der Hochgeschwindigkeitsprüfung können die aufgezeichneten Messsignale derart signifikant überlagern, dass diese überlagerten Messsignale keinen Aufschluss mehr über die tatsächliche Beanspruchung der Probe erlauben. Die Anforderungen an Versuchsaufbauten für hohe Belastungsgeschwindigkeiten liegen daher deutlich über denjenigen für quasistatische Versuche, und der Einsatz kommerzieller Prüfmaschinen ist nur in seltenen Fällen und mit Einschränkungen möglich.
Im Laufe der Zeit wurden verschiedene Konzepte für die Prüfung von Werkstoffen, Fügeverbindungen und Bauteilen mit hohen Versuchsgeschwindigkeiten entwickelt. Für die Bestimmung des Festigkeits- und Verformungsverhaltens der für den Automobilbau relevanten Dehnrate von max. 500/sec sind hier insbesondere die servohydraulische Schnellzerreißmaschine, das Rotationsschlagwerk und das Pendelschlagwerk zu nennen.
Im Folgenden werden die relevanten Versuchsanlagen in ihrem Wirkprinzip kurz erläutert.
Die servohydraulische Schnellzerreißmaschine ist mit einem Druckölspeicher ausgestattet, der die Hydraulikflüssigkeit über ein Regelventil abgibt und somit einen Kolben in einer Beschleunigungsvorrichtung auf die Prüfgeschwindigkeit bringt. Am Ende der Vorlaufstrecke koppelt der Zylinder der Beschleunigungsvorrichtung an das Ende des innen liegenden Kolbens an, dessen gegenüberliegende Seite mit der Probe verbunden ist, und beschleunigt dann die Probe bis zum Versagen. Die Kraft wird mit einem am oberen Querhaupt der Prüfmaschine oberhalb der oberen Einspannung angebrachten Kraftmessring gemessen, der eine entsprechende Eigenfrequenz aufweisen sollte. Der Weg der Kolbenstange wird über einen induktiven Langwegaufnehmer (LVDT = Longitudinal Velocity Differential Transformer) erfasst. Beim Rotationsschlagwerk, wird das Schwungrad durch einen Elektromotor beschleunigt. Sobald die gewünschte Umfangsgeschwindigkeit erreicht ist, wird der zuvor im Schwungrad verborgene Schlaghammer ausgeklappt und schlägt auf das Joch, an welchem die Probe befestigt ist. An der anderen Seite der Probe ist das Kraftmessglied befestigt, dessen Dehnung durch einen DMS gemessen wird. Das Messsignal wird verstärkt und von einem Speicheroszilloskop aufgezeichnet.
Das Pendelschlagwerk arbeitet mit einer geteilten Finne und kann bei Schlagzugscherversuchen eingesetzt werden. Anfang des 20. Jahrhunderts wurden die ersten Pendelschlagwerke für die Durchführung von Kerbschlagbiegeversuchen entwickelt. Diese zuerst wurden später auch für die Ermittlung von Werkstoff- und Verbindungskennwerten weiterentwickelt. Zur damaligen Zeit war bei höheren Geschwindigkeiten aufgrund der fehlenden elektronischen Möglichkeiten nur eine Abschätzung des Festigkeitsverhaltens durch Energiemessung mit dem Pendel oder definierten Verformungen möglich. Mit Beginn der 40er Jahre des letzten Jahrhunderts ergaben sich mit der Entwicklung von Piezo-Quarzen und Dehnungsmessstreifen neue Möglichkeiten zur Erfassung der Belastungen und Beanspruchungen während der Versuchsdurchführung, so dass genauere Rückschlüsse auf das Verformungsverhalten der Werkstoffe möglich wurden.
Eine Bestimmung der Probenverformung über die Messung der Verschiebung des Prüfzylinders liefert insbesondere bei Versuchen unter schlagartiger Belastung häufig keine hinreichenden Informationen über das tatsächliche Verformungsverhalten der Proben.
Im Unterschied zu den Versuchen unter quasi-statischer und schwingender Belastung erschweren bei höheren Prüfgeschwindigkeiten zusätzlich dynamische Einflüsse bei der Versuchsdurchführung die Interpretation und Auswertung der Kraftsignale. So kann es bei der Erfassung der Messwerte während des Versuches zu Überlagerungen der Kraftsignale durch Schwingungen kommen, welche nicht der Belastung der Probe entsprechen. Diese Störeinflüsse entstehen in Abhängigkeit der Dehnrate aus der Überlagerung der eigentlichen Messergebnisse mit Schwingungseinflüssen aus Eigenschwingungen, Trägheitseffekten sowie Wellenphänomenen und können die Messsignale im Extremfall so verfälschen, dass eine Auswertung nicht mehr möglich ist.
Vor diesem Hintergrund erfolgt die Kraftmessung im Allgemeinen nicht nur über die Prüfeinrichtung, z. B. am Querhaupt bei herkömmlichen servohydraulischen Schnellzerreißmaschinen, sondern darüber hinaus durch die Auswertung der Messsignale von auf der Probe applizierten DMS. Eine solche lokale Messwerterfassung auf der Probe ist im Rahmen von Werkstoffprüfungen Stand der Technik. Bei gefügten Proben zur Ermittlung von Kennwerten in Abhängigkeit der Prüfgeschwindigkeit und des Lasteinleitungswinkels ist eine Messwerterfassung direkt am Fügepunkt jedoch nicht möglich. Hier ist eine aufwendige Prüfanordnung mit vielen Grenzflächen und vergleichsweise großen Massen notwendig. Diese Eigenschaften stehen im Widerspruch zu den für schlagartige Untersuchungen geforderten geringen Massen und hohen Steifigkeiten im Einspannstrang. Zu dem geschilderten Problemfeld gehört zudem, dass es im Allgemeinen nicht gelingt, eine konstante Dehnrate bzw. lokale Verformungsgeschwindigkeit zu erreichen.
In der deutschen Patentschrift DE 38 02 500 C1 ist ein hydraulischer Antrieb für Schlagzugversuche beschrieben. Hier befindet sich der zu beschleunigende Arbeitskolben innerhalb eines Ölvolumens. Durch die notwendige Verdrängung des Ölvolumens wird eine gewünschte schlagartige Beschleunigung des Arbeitskolbens verhindert. Dadurch kann bei Versuchsbeginn nicht unmittelbar mit der geforderten Prüfgeschwindigkeit belastet werden. Es tritt zwar auch eine leichte Dämpfung auf, die Prelleffekte abdämpft, ein definiertes Dämpfungselement ist aber nicht vorgesehen.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Prüfvorrichtung anzugeben, die von Beginn an mit vorgesehener Prüfgeschwindigkeit arbeitet und dabei Schwingungen in der Probe und im Messsystem unterdrückt, und ein Verfahren zu offenbaren, Kennwerte von Fügeverbindungen unter Stoßbelastung zuverlässig zu ermitteln.
Die Lösung der Aufgabe für die Prüfvorrichtung wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1, das Verfahren mit den Merkmalen im Anspruch 15 gelöst. Ausführungsformen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Die Stoßbelastung auf die Probe in der Einspannstrecke wird mit einem servohydraulischen Hochgeschwindigkeitszylinder erzeugt. In der Einspannstrecke der Prüfvorrichtung ist eine Beschleunigungsvorrichtung enthalten. Diese besteht aus einem innen liegenden Kolben inklusive einer äußeren, zylinderförmigen Aufnahme – dem Prüfzylinder – und soll sicherstellen, dass die Probe bei der Beschleunigung des Prüfzylinders bis zur Prüfgeschwindigkeit nicht belastet wird. Unmittelbar vor dem Start eines Prüfzyklus befindet sich der Kolben komplett in dem Prüfzylinder. Der Prüfzylinder befindet sich noch in der Ruhelage, also sind sowohl die Geschwindigkeit des Prüfzylinders v_P als auch seine Beschleunigung a_P gleich Null. In der Vorlaufphase wird nun der Prüfzylinder beschleunigt, die Geschwindigkeit v_P steigt von Null beginnend an. Nach dem Erreichen der eingestellten Prüfgeschwindigkeit reißt der beschleunigte Prüfzylinder den Kolben mit der Einspannung mit, indem der Prüfzylinder formschlüssig den Kolben umgreift. Die Kolbengeschwindigkeit v_K sowie die Kolbenbeschleunigung a_K steigen zu diesem Zeitpunkt schlagartig von Null an. Durch das schlagartige Mitreißen des Kolbens durch den bereits auf Prüfgeschwindigkeit beschleunigten Prüfzylinder erreicht der Kolben nahezu unmittelbar die Geschwindigkeit v_K, ohne dass der Probenkörper vorher belastet wurde.
Durch die hohe, durch den Prüfzylinder eingebrachte Kraft (sehr hohe Beschleunigung a_P bei gleichzeitig hoher Masse) gelingt es, die Geschwindigkeit des Kolbens v_K über den gesamten Versuchszeitraum konstant zu halten. Es kommt zu keinem Abfall der Prüfgeschwindigkeit, so dass die Kolbenbeschleunigung a_K über den Messzeitraum den Wert Null annimmt. Beim Einrasten des Kolbens schlägt die Stahlaufnahme des bereits beschleunigten Prüfzylinders ungedämpft auf den noch ruhenden Stahlkolben auf. Dies hat erhebliche Prelleffekte zur Folge, die sich in Form von Schwingungen auf die an der Probe mittels Dehnungsmessstreifen (DMS) aufgezeichneten Kraftsignale ausschlagen.
Im Sinne der für schlagartige Untersuchungen geforderten geringen Massen bei hohen Steifigkeiten der Einspannungen sind die Gelenke und Halter im Einspannstrang Gewichtsoptimiert. Der Halter ist aus dem Werkstoff Titan gefertigt.
Die notwendige Steifigkeit der Einspannstrecke wird durch eine Vorspannung oder durch Reibung erreicht.
Im Sinne einer optimierten Stoßmechanik wird zudem eine konusförmige Ausführung der Aufnahme und einen entsprechend geformten Kolbenkopf eingesetzt. Ein entscheidender Ansatz zur Reduzierung dynamischer Störeffekte während der Hochgeschwindigkeitszugversuche ist die geringfügige Erhöhung des plastischen Stoßanteils beim schlagartigen Einrasten des Kolbens. Ohne diese zentrale Optimierung kann das Einrasten des Kolbens in die Aufnahme – hier schlägt ungedämpft Stahl auf Stahl – in erster Näherung als elastischer Stoß betrachtet werden. Bei diesem elastischen Stoß entstehen jedoch signifikante Prelleffekte, die sich in den deutlichen Schwingungen bei der Kraftmessung niederschlagen, so dass die Auswertung der Messsignale keinen Aufschluss über die tatsächliche Beanspruchung der Probe zulässt. Dies gelingt erst durch die gezielte Integration eines geringfügigen plastischen Stoßanteils in das Wirkprinzip der Prüfvorrichtung. Dabei wird ein dünnes Dämpfungselement direkt in der Beschleunigungsvorrichtung angebracht.
Weiterhin hat sich herausgestellt, dass durch ein definiertes Verhältnis der zur Beschleunigung der Kolbenmasse benötigten Energie zu der Bruchenergie der Probe die Schwingungen im zur Ermittlung der Kennwerte gemessenen Kraftsignal während der Stoßbelastung weitestgehend unterdrückt werden.
Auf diese Weise wird die Ermittlung von Kraft-Weg/Kraft-Zeit-Verläufen bei der Prüfung von Proben bei annährend konstanter Beanspruchungsgeschwindigkeit während des Probenversagens und ohne nennenswerte Überlagerung von Schwingungen im Kraftsignal aus Prellvorgängen ermöglicht.
Der Prüfzylinder in der Beschleunigungsvorrichtung ist an seinem Ende konusförmig ausgebildet. Der Kolben ist an diesen Konus entsprechend angepasst, wobei der Winkel des Konus zwischen 5° und 45° betragt.
Auf den konusförmigen Kolben ist das Dämpfungselement rutschfest aufgebracht.
Durch das Dämpfungselement wird ein gezielter und definierter plastischer Anteil auf die in erster Näherung als elastisch zu bezeichnende Stoßmechanik des Prüfstandes integriert. Dadurch werden die Schwingungen im Kraftsignal auf ein Minimum reduziert bzw. komplett eliminiert, ohne dass es beim Aufprall des Zylinders auf den Konus des Kolbens zu einem nennenswerten Reduzierung der Kolbengeschwindigkeit v_K im Vergleich zum rein elastischen Stoßvorgang kommt. Die lokale Verformungsgeschwindigkeit beim Probenversagen ist vergleichsweise konstant beim Probenbruch.
Das auf den Kolben aufgebrachte verschleißfeste Dämpfungselement, das aus Gummi oder elastischem Kunststoff besteht, ist in seiner Dicke von der bewegten Masse in der Einspannstrecke abhängig. Bei einer absehbaren Bruchenergie der Probe von etwa 40 J, einer eingestellten Prüfgeschwindigkeit von 2 m/s und einer Masse des Kolbens von 7 kg beträgt die Dicke des Dämpfungselementes etwa 1,5 mm.
Ein solches Dämpfungselement weist eine nicht-konstante Dämpfung auf. Die Dämpfung nimmt vielmehr mit zunehmender Druckbelastung durch den Prüfzylinder exponentiell zu. Weiterhin zeichnet sich ein solches Dämpfungselement durch sehr gute Verschleißeigenschaften aus.
Die Prüfvorrichtung basiert auf einer servohydraulischen Schnellzerreißmaschine, einem Rotationsschlagwerk oder einem Fallturm. Bei der servohydraulischen Schnellzerreißmaschine wird die Prüfkraft mittels eines Hochgeschwindigskeitsprüfzylinders erzeugt wird, der aus einem Hochdruckölspeicher gespeist wird.
Die Probe, mit der Kennwerte in Abhängigkeit der Belastungsgeschwindigkeit und des Lasteinleitungswinkels ermittelt werden sollen, ist typischerweise eine so genannte KS-II Probe. Eine solche KS-II Probe besteht aus zwei U- oder L-förmigen Profilteilen, deren Bodenteile über eine Fügetechnik miteinander verbunden sind. Die Fügeverbindung kann eine Schweißverbindung, Klebverbindung, eine mechanische Fügeverbindung oder ähnliches sein.
Die Schenkel der Probe sind in einem zweiteiligen Halter gefasst, über den die Probe in der Einspannstrecke gehalten ist.
Dabei ist der der Halter der Probe so gestaltet ist, dass die Einleitung der Stoßbelastung in die Probe zentrisch und unter verschiedenen, definierten Winkeln zur Fügeverbindung erfolgt. Übliche auf die Fügefläche bezogene Lasteinleitungswinkel sind 0°, 30°, 60° oder 90°, so dass Kennwerte für den Kopfzug, den Scherzug und für Zwischenwinkel sowie den Schälzug bestimmt werden können.
Zur momentenfreien Krafteinleitung sind im Einspannstrang beidseitig der Probe Gelenke integriert, die die Stoßbelastung zentrisch und momentenfrei auf die Probe übertragen.
Durch ein definiertes Verhältnis der zur Beschleunigung der Kolbenmasse benötigten Energie zu der Bruchenergie der Probe werden die Schwingungen im zur Ermittlung der Kennwerte gemessenen Kraftsignal während der Stoßbelastung weitestgehend unterdrückt. Beispielsweise bei einer Bruchenergie der Probe von etwa 40 J bei einer eingestellten Prüfgeschwindigkeit von 2 m/s und einer Masse des Kolbens von 7 kg kann so eine nahezu konstante Verformungsgeschwindigkeit beim Versagen der Proben erreicht werden.
Mit der vorstehend beschriebenen Prüfvorrichtung können Kennwerte von Verbindungen präzise ermittelt werden. Diese Kennwerte, zu denen Bruchkraft, Bruchenergie, Steifigkeit und Bruchweg gehören, werden automatisiert auf einem Messcomputer ausgewertet.
Dazu werden die lokal auf der Probe gemessene Verformung der Probe und die lokal an oder auf der Probe gemessene Kraft ermittelt. Zur Kraftwerterfassung hat sich das Applizieren von Dehnungsmessstreifen (DMS) auf der Probe oder im Einspannstrang zwischen der Probe und den Gelenken bewährt.
Zur Erfassung der Probenverformung unter Stoßbelastung hat sich die auf dem Grauwertkorrelationsverfahren basierende optische Verformungsmessung etabliert. Bei diesem Messsystem, mit dem flächenhaft Koordinaten, Dehnungen sowie weitere abgeleitete Größen bestimmt werden, kann die lokale Verformung unmittelbar auf der der Probe ermittelt werden. Die Messwertaufnahme erfolgte während der Belastungsversuche an der Prüfmaschine durch ein Hochgeschwindigkeitskamerasystem unmittelbar auf der Probe.
Ausführungsformen der Erfindung sind in den Figuren beispielhaft dargestellt.
1 zeigt schematisch eine Prüfanlage mit servohydraulischer Zerreißmaschine.
2 zeigt Diagramme von Schwingungsverläufen.
3 zeigt eine Beschleunigungsvorrichtung im Schnitt vor dem Einrasten des Kolbens.
4 zeigt schematisch die Wirkungsweise der Beschleunigungsvorrichtung.
5 zeigt eine KS-II Probe.
6 zeigt einen Halter mit Probe.
7 zeigt ein auf Verwendung der optimierten Beschleunigungsvorrichtung basierendes Kraft-Verformungs-Diagramm.
In 1 ist schematisch eine Prüfvorrichtung 1 zur Ermittlung von Verbindungskennwerten an einer Probe 2 dargestellt. An der Prüfmaschine 9 ist der Hochgeschwindigkeitszylinder 3 angebracht, der seine Energie aus dem Hochdruckölspeicher 11 erhält. Der Hochgeschwindigkeitszylinder 3 bringt die Belastung auf die Einspannstrecke, die aus der Beschleunigungsvorrichtung 4, den Gelenken 6, dem Halter 5 und dem Spannblock 7, in dem auch eine Kraftmesseinrichtung enthalten sein kann, besteht. Über die Beschleunigungsvorrichtung 3 wird die Stoßbelastung auf die Probe 2 erzeugt.
Die Verformung der Probe 2 wird über die Hochgeschwindigkeitskamera 8 unmittelbar lokal auf der Probe gemessen. Die Kraftmessung erfolgt auf der Probe oder in unmittelbarere Nähe zur Probe „quasilokal" über applizierte Dehnungsmessstreifen. Die Messwerte werden dem Messsystem 10 zugeführt und ausgewertet. Dazu ist ein spezielles Softwaretool vorhanden, dass automatisiert die Auswertung der Verbindungskennwerte (Bruchkraft, Bruchenergie, Steifigkeit, Bruchweg) ermöglicht.
In 2 sind typische Messkurven A und A' dargestellt, die die Schwingungen in den Kraftwerten F auf der Ordinatenachse und die über die Messung der Verschiebung des Prüfzylinders ermittelte Probenverformung s bzw. die unmittelbar auf der Probe mittels optischer Verformungsmessung und Grauwertkorrelationsverfahren bestimmte Probenverformung s auf der Abszissenachse zeigen.
In 3 ist ein schematischer Schnitt durch den Hochdruckzylinder 3 und die Beschleunigungsvorrichtung 4 gezeigt. Über den Zylinderkolben 15 und seine Kolbenstange 16 wird der Prüfzylinder 20 in Richtung des Pfeils beschleunigt. In dem hier dargestellten Zustand ist die Geschwindigkeit v_k des Kolbens 18 und seine Beschleunigung a_k noch Null
Danach schlägt der Kolben 18 auf den Konus 19 und reißt die Kolbenstange 17 mit, an der die Probe befestigt ist. Der Kolben 18 ist das Dämpfungselement 21 angebracht, welches den plastischen Stoßanteil bewirkt.
In 4 ist schematisch in den Teilfiguren a, b, c, d die Wirkungsweise der Beschleunigungsvorrichtung dargestellt.
In der Teilfigur a ist die gesamte Beschleunigungsvorrichtung in Ruhe. Die Geschwindigkeiten v_p des Prüfzylinders 20 und des Kolbens 18 v_k sind Null.
In der Teilfigur b ist der beschleunigte Prüfzylinder dargestellt, a_p und v_p sind größer Null. Der Kolben befindet sich weiterhin in Ruhe.
In der Teilfigur c schlägt der Kolben an dem Konus 19 an und der Kolben wird beschleunigt, a_k und v_k werden größer Null.
In der Teilfigur d ist der Versuchsbeginn dargestellt. Der Kolben und der Prüfzylinder bewegen sich mit konstanter Geschwindigkeit v_p und v_k, die Beschleunigungen a_p und a_k sind wieder Null.
Somit ist die Versuchsbedingung erreicht, eine konstante Prüfgeschwindigkeit wird auf den Kolben 18 und damit auf den Halter 5 aufgebracht.
In 5 ist eine perspektivische Ansicht einer Probe 2 dargestellt. Sie ist als typische KS-II Probe ausgeführt. Die KS-II Probe besteht aus zwei umformtechnisch hergestellten und miteinander gefügten U-Profilen. Je nach Fügeverfahren sind bei der Halbzeugherstellung enge Toleranzen einzuhalten, damit die Proben durch das Einspannen in die Prüfeinrichtung keine Vorschädigung erfahren. Über die Bohrlöcher 13 werden Schrauben eingebracht, mit denen Klemmbacken zur rutschfesten Kraftübertragung auf der Probe befestigt werden. Die Böden der beiden Profile sind über eine Fügefläche 14 verbunden, in der sich die Fügeverbindung 14a befindet. Von dieser Fügeverbindung werden die Kennwerte ermittelt. Diese Probe kann unter verschiedenen Lasteinleitungswinkeln zur Fügefläche (14) geprüft werden. Bei der KS-II Schälzugprobe werden die Halbzeuge nur mit einem Schenkel umformtechnisch versehen.
In 6 ist dargestellt, wie die Probe 2 in den Halter 5 eingespannt ist, der aus den beiden Teilen 5a, 5b besteht. Hier ist ein Halter 5 für einen Scherzug (Lasteinleitungswinkel zur Fügefläche 0°) dargestellt. Die Kraft wird also durch die Halter zentrisch über einen Winkel von 0° zur Fügefläche 14 in die Probe eingebracht.
An der Probe 2 sind optische Markierungen 22x, 22y angebracht, deren Verschiebungen mittels des Kamerasystemes während der Prüfung aufgezeichnet werden. Die Auswertung erfolgt dann mit dem Grauwertkorrelationsverfahren.
Die lokale Verformung beschreibt die Differenz der Verschiebungen eines Punktes auf der oberen im Vergleich zu einem Punkt 22y oder mehrerer auf der unteren Probenhälfte. Die lokale Verformungsgeschwindigkeit ist die lokale Verformung über der Zeit.
In 7 ist ein Vergleich zwischen schwingungsbehafteten Messwerten A der Kraft F und mittels der optimierten Prüfvorrichtung gemessenen Messwerten B dargestellt. Die Verformung s entspricht der unmittelbar auf der Probe mittels optischer Verformungsmessung ermittelten lokalen Verformung.

1: Prüfvorrichtung
2: Probe
3: Hochgeschwindigkeitszylinder
4: Beschleunigungsvorrichtung
5: Halter
6: Gelenk
7: Spannblock
8: Hochgeschwindigkeitskamera
9: Servohydraulische Schnellzerreißmaschine
10: Messsystem
11: Hochdruckölspeicher
12: Ventil
13: Bohrlöcher
14: Fügefläche
14a: Fügeverbindung
15: Kolben des Hochgeschwindigkeitszylinders
16: Kolbenstange
17: Stange des Prüfkolbens
18: Prüfkolben
19: Konus
20: Prüfzylinder
21: Dämpfungselement
22: Markierungspunkte
A, A': Schwingungsüberlagerte Messwerte
B: Schwingungsfreie Kraftsignale
F: Prüfkraft
s: Verformungsweg

Claims

Prüfvorrichtung zur Ermittlung geschwindigkeitsabhängiger Verbindungskennwerte einer Probe unter Stoßbelastung, wobei die Probe in einer Einspannstrecke gefasst ist, in der ein in einer Beschleunigungsvorrichtung (4) über eine Vorlaufstrecke beschleunigter Kolben (18) die Belastung in Form eines im Wesentlichen elastischen Stoßes auf die Probe (2) überträgt, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschleunigungsvorrichtung (4) einen Prüfzylinder (20) besitzt, dessen Ende (19) konusförmig ausgebildet ist, sowie einen entsprechend angepassten konusförmigen Kolben (18), zwischen denen ein Dämpfungselement (21) wirkt, und damit durch eine bestimmte Integration eines plastischen Stoßanteils mittels des Dämpfungselementes (21) und durch ein definiertes Verhältnis der zur Beschleunigung der Kolbenmasse benötigten Energie zu der Bruchenergie der Probe die Ermittlung von Kraft-Weg- oder Kraft-Zeit-Verläufen bei annährend konstanter Verformungsgeschwindigkeit während des Probenversagens und ohne nennenswerte Überlagerung von Schwingungen aus Prellvorgängen erreicht wird.
Prüfvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Dämpfungselement rutschfest auf dem Konus des Kolbens oder des Prüfzylinders angebracht ist.
Prüfvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Dämpfungselement (21) ein nicht-konstantes Dämpfungsverhalten aufweist.
Prüfvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Dämpfungsverhalten des Dämpfungselementes (21) während der Stoßbelastung exponentiell anwächst.
Prüfvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Dämpfungselement (21) eine Schicht aus verschleißfestem Gummi oder elastischem Kunststoff ist.
Prüfvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel des Konus (19) zwischen 5° und 45° beträgt.
Prüfvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stoßbelastung in der Einspannstrecke über eine servohydraulische Schnellzerreißmaschine, ein Rotationsschlagwerk oder einem Fallturm erzeugt wird.
Prüfvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stoßbelastung mittels eines Hochgeschwindigskeitsprüfzylinders (3) erzeugt wird, der aus einem Hochdruckölspeicher (11) gespeist wird.
Prüfvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Probe (2) aus zwei U- oder L-förmigen Profilteilen besteht, deren Bodenteile an einer Fügefläche (14) über eine Fügetechnik miteinander verbunden und die Schenkel durch einen zweiteiligen Halter (5) gefasst sind.
Prüfvorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Halter (5) der Probe so gestaltet ist, dass die Einleitung der Stoßbelastung in die Probe zentrisch und unter verschiedenen, definierten Winkeln zur Fügefläche (14) erfolgt.
Prüfvorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass Lasteinleitungswinkel bezogen auf die Fügefläche von 0°, 30°, 60° und 90° vorgesehen sind.
Prüfvorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Einspannstrang beidseitig der Probe Gelenke (6) integriert sind, die die Stoßbelastung zentrisch und momentenfrei auf die Probe (2) übertragen.
Prüfvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einspannstrecke durch Vorspannung oder Reibung eine hohe Steifigkeit aufweist.
Prüfvorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Halter aus Titan gefertigt ist.
Prüfvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer absehbaren Bruchenergie der Probe (2) von etwa 40 J bei einer eingestellten Prüfgeschwindigkeit von 2 m/s und einer Masse des Kolbens von 7 kg eine nahezu konstante Verformungsgeschwindigkeit beim Versagen der Proben erreicht wird.
Verfahren zur Ermittlung geschwindigkeitsabhängiger Verbindungskennwerte einer Probe (2) unter Stoßbelastung, mit einer Prüfvorrichtung (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche.
Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass zu den ermittelten Kennwerten die lokal auf der Probe (2) gemessene Verformung der Probe und die lokal an oder auf der Probe gemessene Kraft (F) gehören.
Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftmessung mittels Dehnungsmessstreifen auf der Probe (2) und/oder einseitig oder beidseitig von der Probe zwischen der Probe (2) und den Gelenken (6) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die lokale Verformung der Probe unmittelbar auf der Probe (2) mittels optischer Verformungsmessung bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die lokale Verformungsmessung mittels Hochgeschwindigkeitskamera (8) und Auswertung der Kamerabilder nach dem Grauwertkorrelationsverfahren erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass eine automatische, computerbasierte Auswertung der Verbindungskennwerte wie Bruchkraft, Bruchenergie, Steifigkeit oder Bruchweg erfolgt.