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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung für die mechanische Werkstoffprüfung zur Bestimmung der Schubkennwerte von Werkstoffen nach den Merkmalen des Anspruchs 1. Die Vorrichtung ist geeignet zur Schubbelastung ebener Materialproben, deren Ausdehnung in zwei Dimensionen ein Vielfaches der Ausdehnung in der dritten Dimension ist.
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Typische Schubkennwerte, wie die Schubfestigkeit, die Schubsteifigkeit sowie die Schubverzerrung, sind definierte Werkstoffkenngrößen, die zur Beschreibung des mechanischen Werkstoffverhaltens dienen. Schubkennwerte sind neben Werkstoffkenngrößen, wie Elastizitätsmodul, Zug- und Druckfestigkeiten, Querkontraktionszahl sowie Zug- und Druckversagensdehnungen, grundlegend für die Auslegung und die Dimensionierung von Bauteilen sowie für die Entwicklung und Umsetzung strukturmechanischer Simulations- und Berechnungsmodelle.
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Für eine möglichst realitätsnahe Abbildung des Belastungs- und Verformungsverhaltens von real existierenden Strukturen in Simulationsmodellen ist es erforderlich, die im Material vorliegenden exakten Schubeigenschaften der zu betrachtenden Materialien zu kennen.
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Reiner Schub liegt in einem Prüfkörper dann vor, wenn ein ursprünglich quadratisches Blech in der Blechebene durch eine wirkende Schubspannung τxy zu einem Rombus verformt wird (1).
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Bei den meisten Verfahren zur Bestimmung von Schubeigenschaften, die aus dem technischen Norm- und Regelwerk bekannt sind, kann aufgrund der Art der Probeneinspannung sowie der Art der Lastaufbringung in der zu prüfenden Probe keine reine Schubbelastung erzeugt werden. Zu den betreffenden Verfahren zählen: Rail-Shear-Test [ASTM D4255/D4255M-83 (1994): Standard Guide for Testing In-Plane Shear Properties of Composite Laminates (Two- and Three-Rail Shear Test)], Schertest mit Torsionsprobe, Iosipescu-Shear Test [ASTM D5379/D5379M-93: Standard Test Method for Shear Properties of Composite Materials by the V-Notched Beam Method.], reine Abschertests sowie die Bestimmung der Schubeigenschaften von Faserverbundwerkstoffen im Zugversuch an ±45° Proben [ASTM D3518/D3518M-94: Standard Practice for In-Plane Shear Response of Polymer Matrix Composite Materials by Tensile Test of a ±45° Laminate.].
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Aus der Druckschrift
DD 101 015 B1 ist eine Vorrichtung für die mechanische Werkstoffprüfung zur Bestimmung der Schubkennwerte von Werkstoffen mit großem Verhältnis der Probenseitenlänge zu Probendicke bekannt. Diese Vorrichtung besteht aus zu einem Schubrahmen gelenkig verbundenen Rahmenteilen, wobei vier identische Rahmenteile durch Drehgelenke zu einem Schubrahmen verbunden sind. Eine Prüfbelastung (Zug wie auch Druck) des Schubrahmens führt in den Rahmenecken mit Winkeln kleiner 90° zu unzulässigen kinematischen Verhältnissen (Durchdringung der Rahmenteile in Bild 2) und Stauchungen des Prüfkörpers. In den Ecken mit Winkeln entsprechend größer 90° unterliegt die Probe, bedingt durch unzulässig Aufklaffung der betreffenden Rahmenteile, einer ebenfalls unzulässigen Zugbeanspruchung.
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Die Anwendung eines Schubrahmens (picture frame shear test) ermöglicht hingegen die Erzeugung von reiner Schubbelastung in flachen, ebenen Proben. Dabei hat die Lage der Drehpunkte an den Ecken des Schubrahmens bezüglich der Ecke der Messfläche der Schubproben signifikanten Einfluss auf die Erzeugung reiner Schubbeanspruchung in der Proben. Die qualitativ beste Schubspannungsverteilung wird durch die Anordnung der Drehpunkte des Schubrahmens exakt auf den Eckpunkten des quadratischen Messfeldes erreicht [Farley, Gary L.; Baker, Donald J.: In-plane shear test of thin panels. In: Journal of Experimental Mechanics 23 (1983), Nr. 1, S. 81–88].
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Die Erzeugung der Schubbelastung der Probe im Schubrahmen erfolgt durch Einleitung von Zug- oder Druckkräften an den Gelenken der diagonal gegenüberliegenden Ecken des Prüfrahmens.
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Die Schubkennwerte können aus der auf die Vorrichtung wirkenden Prüfkraft und der Verschiebung der Mittelpunkte der an einer Diagonalen liegenden Gelenke des Schubrahmens bestimmt werden. Alternativ können die Verformungen im Messfeld auch mit Hilfe elektromechanischer (Dehnungsmessstreifen) oder optischer Verfahren direkt auf der Probe gemessen werden.
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Bei der Prüfung von Proben mit einem sehr großen Verhältnis von Probenkantenlänge zu Probendicke sowie einer geringen Steifigkeit des zu prüfenden Materials kann ein frühzeitiges Stabilitätsversagen der Proben im Versuch eintreten. Bedingt durch diese Versagensart, ist es nicht möglich, die Schubfestigkeit des Materials exakt zu bestimmen. Bei der Prüfung derartiger Proben sind geeignete Maßnahmen zur Verhinderung des Stabilitätsversagens zu treffen.
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Grundsätzlich lässt sich feststellen, dass die aus dem Stand der Technik bekannten Vorrichtungen zur Ermittlung von Werkstoffeigenschaften bei Schubbelastung hinsichtlich der Erzeugung reiner Schubbelastung im Probenkörper sowie einem möglichen Ausbeulen von Probenkörper mit großem Verhältnis von Probenseitenlänge zu Probendicke problembehaftet sind.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur mechanischen Werkstoffprüfung anzugeben, die in einem Probenkörper mit großem Verhältnis der Probenseitenlängen zur Probendicke reine Schubbelastung in der Ebene erzeugt, die durch die Richtungen der beiden größten Probenkörperabmessungen aufgespannt wird. Weiterhin soll ein Ausbeulen des Probenkörpers während des Prüfvorgangs verhindert werden.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung mit den im Anspruch 1 genannten Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Vorrichtung sind Gegenstand von Unteransprüchen.
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Erfindungsgemäß ist ein Schubrahmen vorgesehen, der aus vier identischen Rahmenteilen aufgebaut ist. Die Rahmenteile sind an den sich berührenden Eckpunkten durch Gelenke miteinander verbunden. Die Drehachsen der Gelenke liegen dabei exakt in den Eckpunkten der durch den Rahmen aufgespannten freien quadratischen Fläche. Der Probenkörper entspricht in seiner Grundform der Größe der vom Rahmen aufgespannten freien quadratischen Fläche und ist an jeder seiner vier Schmalseiten um eine Spannfläche erweitert. Die Spannflächen des Probenkörpers können auch verstärkt, z. B. durch Aufleimer, ausgeführt sein. Der Probenkörper wird mit seinen Spannflächen auf einer Seite des Schubrahmens so aufgelegt, dass die quadratische Messfläche des Probenkörpers exakt über der vom Schubrahmen aufgespannten freien quadratischen Fläche liegt. Der Probenkörper wird mittels Spannelemente, welche die Rahmenteile umgreifenden, im gesamten Bereich der Spannflächen auf dem Schubrahmen fixiert. Die Spannelemente wirken somit über jeweils die gesamte Rahmenteillänge zwischen den Drehpunkten der Gelenke des Schubrahmens. An zwei diagonal gegenüberliegenden Gelenken des Schubrahmens sind je ein Lasteinleitungselement, typischerweise eine Zuglasche, befestigt. Eine Zuglasche ist im Raum fixiert. An der zweiten wird eine Zugprüfkraft aufgebracht, die eine Kraftmessdose aufzeichnet. Die Schubverformung kann in Abhängigkeit des zu prüfenden Probenkörpers mit Hilfe von auf dem Probenkörper applizierten Dehnungsmessstreifen, einer „full field” Dehnungsmessmethode oder aus der gemessenen Verlängerung der in Belastungsrichtung liegenden Diagonalen des Schubrahmens bestimmt werden.
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Um einem Ausbeulen des Probenkörpers beim Prüfvorgang entgegen zu wirken, liegt auf beiden Seiten des Probenkörpers im Bereich der Messflächen je eine Druckplatte am Probenkörper an. Das Zentrum der Druckplatten steht während des Prüfvorgangs immer exakt über dem Schwerpunkt der Messfläche. Der Abstand der Druckplatten kann in Abhängigkeit der Dicke des Probenkörpers eingestellt werden, bleibt aber während des Prüfvorgangs fixiert. Die Fixierung der Druckplatten wird durch eine den Schubrahmen umgreifende Haltestruktur ermöglicht. Die Druckplatten sind in Normalenrichtung der Probenkörpermessfläche schwimmend gelagert, so dass Unebenheiten des Probenkörpers ausgeglichen werden können.
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Dem Erfindungsgedanken wohnt inne, dass durch eine derartige Konstruktion Probenkörper unterschiedlichster Materialien getestet werden können. Die Größe der beschriebenen Schubprüfvorrichtung hängt dabei von den Eigenschaften (Dicke, Steifigkeit, Festigkeit) der zu prüfenden Probenkörper ab.
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Die signifikanten Vorteile und Merkmale der Erfindung gegenüber dem Stand der Technik sind im Wesentlichen:
- – Erzeugung reiner Schubbelastung im Probenkörper, durch die gewählte quadratische Messfläche mit an den Ecken der Messflächen befindlichen Drehachsen der Gelenke des Schubrahmens,
- – Erzeugung einer weitestgehend homogenen Verteilung der Schubspannung im Messfeld, durch a) die Wahl der Anordnung der Drehachsen der Gelenke des Schubrahmens und b) durch die Realisierung einer vollflächigen Fixierung der Spannflächen des Probenkörpers auf den Schubrahmenteilen (über die gesamte Distanz zwischen den Drehachsen der Gelenke eines Rahmenteils),
- – Verhinderung des Ausbeulens des Probenkörpers während der Versuchsdurchführung, was eine verbesserte Bestimmung der Schubfestigkeiten ermöglicht.
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Die Erfindung wird nachfolgend an Hand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen:
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1 eine Darstellung zur Veranschaulichung der Schubverformung, links – Ausgangszustand der betrachteten Messfläche, rechts – durch Schubbelastung eingestellte Verformung der Messfläche
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2 ein prinzipieller Aufbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung (Schubrahmen)
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3 eine erfindungsgemäße Vorrichtung (Schubrahmen) mit geklemmten Probenkörper und Vorrichtung zum Verhindern des Ausbeulens des Probenkörpers
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4 Schubprüfvorrichtung ohne Probe (Schubrahmen) in Normal- und Schnittdarstellung
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5 Schubprüfvorrichtung mit eingespanntem Probenkörper
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6 Schubprüfvorrichtung mit eingespannten Probenkörper und Vorrichtung zum Verhindern des Ausbeulens des Probenkörpers – Vorderansicht
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7 Schubprüfvorrichtung mit eingespannten Probenkörper und Vorrichtung zum Verhindern des Ausbeulens des Probenkörpers – Rückansicht
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1 zeigt eine Darstellung zur Veranschaulichung der Schubverformung. Links ist der Ausgangszustand einer betrachtete Messfläche und rechts eine durch Schubbelastung eingestellte Verformung der Messfläche darstellt.
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2 zeigt einen prinzipiellen Aufbau einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit dargestelltem Probenkörper 1. Der Probenkörper 1 weist neben seiner Messfläche 1.1 noch Spannflächen 1.2 auf, die zur Auflage auf die Rahmenteile 2.1 des Schubrahmens 2 ausgebildet sind. Der Schubrahmen 2 besteht im Wesentlichen aus vier identischen Rahmenteilen 2.1, die an den sich berührenden Eckpunkten Gelenkdrehachsen 2.3 ausweisen. Der Probenkörper 1 wird mit den Spannflächen 1.2 auf den Rahmenteilen 2.1 mittels umgreifender Spannelemente 3 lösbar befestigt. Bei der erfindungsgemäßen Anordnung verlaufen die Drehachsen 2.3 des Schubrahmens 2 in idealer Weise durch die Eckpunkte der Messfläche 1.1 des Probenköpers 1. Durch die Auflage des Probenkörpers 1 auf den Schubrahmen 2 wirkt sich die Größe des Drehgelenkes nicht nachteilig auf die Spannfläche 1.2 aus.
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3 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Vorrichtung (Schubrahmen) mit geklemmten Probenkörper und Vorrichtung zum Verhindern des Ausbeulens des Probenkörpers.
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Auf dem Schubrahmen 2 ist der Probenkörper 1 durch die Spannelemente 3 gespannt dargestellt. Eine Haltestruktur 7 greift mechanisch um den Schubrahmen 2 und wirkt auf Druckplatten 5/6 ein, die auf der Vorder- und Rückseite des Probekörpers 1 liegen. Die Haltestruktur 7 justiert die Druckplatten 5/6 auf den Probenkörper 1 in einer Art schwimmenden Lagerung.
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In 4 bis 7 sind bevorzugte Ausführungsformen einer erfindungsgemäßen Schubvorrichtung schematisch dargestellt.
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4 zeigt die Normal- sowie eine Längsschnittansicht der Schubprüfvorrichtung 9, die aus vier identischen Rahmenteilen 2.1 aufgebaut ist. Ein solches Rahmenteil 2.1 weist einen Grundkörper auf, der über doppelte Zuglaschen an den sich berührenden Ecken verfügt. Die Zuglaschen dienen zur Aufnahme von Gelenkbolzen 2.2. Über dem Grundkörper erstreckt sich eine ebene Auflagefläche in der Größenordnung einer Spannfläche 1.2 des Probenkörpers 1. Die Auflagefläche überdeckt zum Teil die beiden darunter liegenden Zuglaschen.
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Mit Hilfe der Gelenkbolzen 2.2 sind die vier Rahmenteile 2.1 an den Zuglaschen miteinander verbunden, so dass ein Schubrahmen 2 mit in den Ecken der Messfläche liegenden Drehachsen 2.3 der Rahmengelenke entsteht. An zwei diagonal gegenüberliegenden Gelenken des Schubrahmens 2 werden von den Gelenkbolzen 2.2 je ein Lasteinleitungselement 4 mit dem Schubrahmen 2 verbunden.
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5 zeigt die Schubprüfvorrichtung 9 mit eingespanntem Probenkörper 1. Der Probenkörper 1 wird hierbei mittels vier die Rahmenteile 2.1 umgreifenden Spannelementen 3 auf dem Schubrahmen 2 fest gespannt. Die Schubprüfvorrichtung 9 mit der Vorrichtung zur Verhinderung des Ausbeulens des Probenkörpers bei Prüfbelastung zeigen die 6 (Vorderansicht) und 7 (Rückansicht). Zur Verhinderung des Ausbeulens des Probenkörpers 1 liegen auf Vorder- und Rückseite des Probenkörpers 1 im Bereich der quadratischen Messfläche eine vordere Druckplatte 5 und eine hintere Druckplatte 6 an. Beide Druckplatten haben die gleiche Grundfläche in Form eines Rhombus. Die Form des Rhombus wird dabei von der aufzubringenden Schubverformung bestimmt. Die hintere Druckplatte 6 ist mit dem Kreuzhalter 7.3 verbunden, der über die Gelenkbolzen 2.2 des Schubrahmens 2 im Zentrum der Messfläche positioniert ist. Am Kreuzhalter 7.3 sind beidseitig je ein Längsverbinder 7.1 befestigt. Auf den Längsverbinder 7.1 ist die normal zur Oberfläche des Probenkörpers 1 beweglich gelagerter Aufnahme 7.4 der vorderen Druckplatte 5 angeordnet. Die vordere Druckplatte 5 ist fest mit der Aufnahme 7.4 verbunden. Die Einstellung des Abstandes zwischen vorderer Druckplatte 5 und hinterer Druckplatte 6 erfolgt mit einer Stellschraube der Abstandseinstellung 7.5, die in dem vorderen Querverbinder 7.2 integriert ist, der mit den beiden Längsverbindern 7.1 verschraubt ist.
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Üblicherweise wird die erfindungsgemäße Schubprüfvorrichtung 9 in Verbindung mit einer hier nicht dargestellten Werkstoffprüfmaschine eingesetzt, die über die sichtbaren Bohrungen der Lasteinleitungen 4 mit der Schubprüfvorrichtung 9 gelenkig verbunden ist. Die Werkstoffprüfmaschine erzeugt eine Linearbewegung von typischerweise 0,5 bis 1,5 mm/min, so das die beiden Lasteinleitungen 4, die an diagonal gegenüberliegenden Gelenken des Schubrahmens 2 befestigt sind, voneinander weg bewegt werden. Dabei geht die ursprüngliche quadratische Form der Messfläche des Schubrahmens 2 in ein Rhombus über. Somit wird durch die erfindungsgemäße Schubprüfvorrichtung 9, entsprechend 1, rechts, in dem Probenkörper 1 eine reine Schubbelastung erzeugt.
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Vor Beginn des Schubversuches wird der Schubrahmen 2 bei eingestellter quadratischer Messfläche fixiert. Der Probenkörper 1 wird mit seinen Spannlaschen 1.2 derart auf die Spannflächen der Schubrahmenteile 2.1 aufgelegt, dass die Eckpunkte der Messfläche des Probenkörpers 1 auf den entsprechenden Drehachsen der Gelenke des Schubrahmens 2 liegen. Mit Hilfe der Spannelemente 3, welche die Rahmenteile 2.2 umfassen, wird der Probenkörper 1 auf dem Schubrahmen 2 festgespannt. Bei Probenkörpern, die frühzeitig zum Stabilitätsversagen (Ausbeulen) neigen, kann zudem die Vorrichtung zum Verhindern des Ausbeulens des Probenkörpers 1 bei der Schubprüfung genutzt werden. Hierzu ist der Kreuzhalter 7.3 mit der darauf montierten hinteren Druckplatte 6 von der Rückseite auf die überstehenden Gelenkbolzen 2.2 aufzustecken und an den eingespannten Probenkörper 1 heranzuführen. Auf die am Kreuzhalter 7.3 angeschraubten Längsverbinder 7.1 wird von der Vorderseite die Aufnahme der vorderen Druckplatte 7.4 mit daran befestigter vorderer Druckplatte 5 aufgesteckt. Abschließend ist der vordere Querverbinder 7.2 an die Längsverbinder 7.1 anzuschrauben. Mit der Abstandseinstellung 7.5 ist die vordere Druckplatte 5 an den Probenkörper 1 heranzuführen. Die Schubprüfvorrichtung 9 wird über die Bohrungen der Lasteinleitungselemente 4 mit einer Werkstoffprüfmaschine verbunden. Während des Schubversuchs werden die Längung der in Prüfrichtung 8 liegenden Diagonalen des Schubrahmens 2 sowie die wirkende Prüfkraft kontinuierlich aufgezeichnet. Aus diesen Werten werden nach Versuchsende typischerweise die Schubspannung als Funktion der Schubdehnung sowie der Schubmodul berechnet.
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Nach Abschluss des Schubversuchs wird die Schubprüfvorrichtung 9 entlastet und von der Werkstoffprüfmaschine getrennt. Der Ausbau des Probenkörpers 1 erfolgt in umgekehrter Reihenfolge.
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Mit der erfindungsgemäßen Schubprüfvorrichtung 9 können grundlegende Probleme, die bei der Ermittlung realistischer Schubkennwerte mit bekannten Verfahren bzw. geltenden Prüfnormen auftreten, wie z. B. Erzeugung keiner reinen Schubbelastung, vermieden werden.
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Ein nicht zu unterschätzender Vorteil der Erfindung besteht darin, dass eine Vielzahl verschiedener Werkstoffproben mit großem Verhältnis der Probenseitenlängen zur Probendicke getestet werden können.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Probenkörper
- 1.1
- Messfläche
- 1.2
- Spannfläche
- 2
- Schubrahmen
- 2.1
- Rahmenteil des Schubrahmens
- 2.2
- Gelenkbolzen des Schubrahmens
- 2.3
- Gelenkdrehachse
- 3
- Spannelement
- 4
- Lasteinleitungselement mit Bohrung zur Aufnahme in einer Belastungsvorrichtung (z. B. Werkstoffprüfmaschine)
- 5
- vordere Druckplatte der Beulstütze
- 6
- hintere Druckplatte der Beulstütze
- 7
- Haltestruktur der Beulstütze
- 7.1
- Haltestruktur der Beulstütze, Längsverbinder
- 7.2
- Haltestruktur der Beulstütze, Querverbinder vorne
- 7.3
- Haltestruktur der Beulstütze, Kreuzhalter hintere Druckplatte
- 7.4
- Haltestruktur der Beulstütze, Aufnahme vordere Druckplatte
- 7.5
- Haltestruktur der Beulstütze, Abstandseinstellung der Druckplatten
- 8
- Wirkrichtung der Prüfkraft
- 9
- Schubprüfvorrichtung
