DE102010052814B4 - Vorrichtung und Verfahren zur Vermeidung von Instabilitäten belasteter Strukturen - Google Patents

Abstract

Vorrichtung (1) zur Vermeidung von Instabilitäten belasteter Strukturen (2), wobei an den Strukturen (2) anliegend mindestens zwei sich gegenüberliegende verstellbare Stützelemente (3, 4; 5, 6; 7, 8; 9, 10) vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, dass – die Stützelemente (3, 4; 5, 6; 7, 8; 9, 10) auf jeder anliegenden Seite (17, 18) der Struktur (2) zur Einstellung einer oder mehrerer Stützelementeabstände (l) zur Vermeidung von Instabilitätseffektformen vorgesehen sind, und wobei Instabilitätseffektformen dem Versagen der Strukturen (2) zugeordnet sind, – wobei die Struktur (2) bezogen auf den Querschnitt der Struktur (2) höchstens von zwei sich jeweils parallel gegenüberliegenden und die Struktur (2) mehrseitig kontaktierenden Anordnungen von Stützelementen (3, 4; 5, 6; 7, 8; 9, 10) gelagert und/oder positioniert und/oder geführt ist, – wobei als Instabilitätseffektformlängen (l) der Abstand zwischen zwei bestimmten, einseitig systematisch angeordneten und die Struktur (2) kontaktierenden Stützelementen (3, 4; 5, 6; 7, 8; 9, 10) definiert ist und – wobei die von den Stützelementen (3, 4; 5, 6; 7, 8; 9, 10) beeinflusste Instabilitätseffektformlänge (l) einstellbar ist, – wobei Instabilitätseffektformen vermieden werden, wenn die beaufschlagte Last kleiner als die Versagenslast, die die Instabilitäten hervorrufende Last darstellt, ist, – wobei durch die mehrfache, jeweils lokal begrenzte Abstützung nur eine geringe Reibung oder Widerstandskraft der Stützelemente (3, 4; 5, 6; 7, 8; 9, 10) an der belasteten Struktur (2) bedingen, wodurch belastete Strukturen (2) gegen Instabilitäten geschützt werden.

Description

• Die Erfindung betrifft Vorrichtungen und Verfahren zur Vermeidung von Instabilitäten belasteter Strukturen, wobei an den Vorrichtungen zumindest sich zweiseitig gegenüberliegende Stützelemente vorgesehen sind.
• Herkömmliche Vorrichtungen sind nur für wenige Anwendungen, etwa der Prüfverfahren, wie der Druckversuch, bekannt und zeichnen sich durch eine hohe Reibung beziehungsweise Widerstandskraft der großflächigen oder schneidenartigen Stützelemente entlang der langen Seiten der Struktur bei Belastung der Struktur aus.
• Für viele technische Anwendungen ist das Wissen um die mechanischen Eigenschaften und das mechanische Verhalten von Strukturen und Materialien unter Beanspruchung von großer Bedeutung. Moderne Werkstoffe wie etwa Faserverbunde besitzen richtungsabhängige Werkstoffeigenschaften. Um diese Eigenschaften vollständig zu ermitteln, ist die Anwendung verschiedener Prüfverfahren erforderlich.
• Weiterhin ist bekannt, dass sich Strukturen und Werkstoffe in Abhängigkeit von der Belastungsrichtung (also beispielsweise Zug oder Druck) unterschiedlich verhalten können.
• Gegenwärtig werden für Werkstoffuntersuchungen und Strukturversuche bzw. -belastungen häufig die Dimension der Strukturen oder die Belastung so gewählt, dass die Strukturen keine Instabilität erfahren. Dieses Vorgehen weist unter anderem in der Technik und der Prüftechnik drei entscheidende Nachteile auf:
• 1. Es ist bekannt, dass Einspannungseffekte bzw. Randeffekte an Strukturen bei Befestigung oder Lasteinleitung in herkömmlichen Prüf- bzw. Belastungsvorrichtungen aufgrund der kleinen freien, Länge zwischen den Belastungseinleitungen und/oder dem Rand einen signifikanten Einfluss auf die Messergebnisse haben können, etwa wenn die Randeffekte bis in den Messbereich nicht hinreichend abgeklungen sind und somit die Ergebnisse verfälschen.
• 2. Zur Vermeidung von Instabilitäten bei Druck- oder Schubbelastung werden zum Beispiel bei Standardproben im Laborversuch oftmals geringe Prüflasten ausgewählt. Folglich befinden sich bei der Messwerterfassung die Werte nah an der unteren Messschwelle.
• 3. Bei der Kerbspannungsanalyse beispielsweise (Untersuchung von Fehlstellen) sind die vorgenannten Probleme besonders kritisch. Bisher sind zum Beispiel für Druckversuche keine praktikablen Einrichtungen bekannt, bei denen einerseits die Einspannungseffekte bzw. Randeffekte bis in den Kerbbereich hinein abklingen und gleichzeitig ein Ausknicken des Prüfkörpers verhindern. Die Kerben sind dabei aufgrund von Anforderungen aus der Praxis von sich aus oftmals bereits größer als der Messbereich der herkömmlichen Prüfvorrichtungen.
• Derzeit werden in der Regel die Belastungen so gewählt, dass Instabilitätseffekte wie Knicken oder Beulen von Strukturen vermieden werden. In Abhängigkeit von der Schlankheit (Verhältnis der Querschnittabmessungen zu den globalen Strukturdimensionen (z.B. Strukturlänge)) lässt sich hierfür die kritische Knick- oder Beullast beispielsweise nach Euler für einfache Fälle oder per Finite-Elemente-Methode für komplexere Probleme berechnen.
• In der Druckschrift DIN EN ISO 14126 werden verschiedene Vorrichtungen genannt, die den Stand der Technik, bezüglich Druckprüfvorrichtungen, welche bei hohen Belastungen ein instabiles Strukturverhalten der Prüfkörper verhindern, darstellen. Die Stützung wird dabei über Stützelemente, die großflächig kontaktierende Platten darstellen, welche den Bereich zwischen Lasteinleitung und Prüfkörpermitte kontaktieren oder über die gesamte Prüfkörperlänge kontaktierende Schneiden realisiert.
• Aus der DE 37 35 484 A1 ist ein Stabilisatoraufbau für eine Kompressionsdruck-Prüfvorrichtung zur Verhinderung eines vorzeitigen Bruchs eines langgestreckten Kompressionsprüflings durch Ausknicken bekannt, bei der ein Träger einen Kanalbereich definiert, durch den der Prüfling eingeführt wird, dass wenigstens zwei Stabilisatorkörper vom Träger abgestützt werden, dass die Stabilisatorkörper auf jeder Seite des eingeführten Prüflings montiert sind, das jeder Stabilisatorkörper einen langgestreckten Randbereich besitzt, der benachbart zu einer Länge des eingesetzten Prüflings derart liegt, dass bei Beginn einer Ausknickung der Randbereich durch den Prüfling berührt wird.
• Gemäß der US 5,297,441 ist eine Vorrichtung zum Tragen von Testgeräten für Kompressionsdruckprüfungen bekannt, die aus einem Träger für ein längliches Werkstück zwischen Klemmen besteht, wobei die plattenförmigen Klemmen eine axiale Kraft auf das Werkstück zur Stabilisierung des Werkstücks ausüben.
• Nach der DE 195 21 777 C2 ist eine Anordnung zur Lasteinleitung von Normalkräften in Schalen bekannt, bei der mindestens ein Einspannkasten, in dem ein Rand der Schalen mittels Gußmasse eingegossen und damit befestigt ist, in einer Vielzahl von Segmenten aufgeteilt ist.
• Weiterhin ist aus der DE 10 2006 015 642 A1 eine Prüfvorrichtung für Rumpfschalen bekannt, bei der der Prüfling mit einer Komplementärstruktur verbunden ist und die Komplementärstruktur im Querschnitt U-förmig ausgebildet ist und an den Enden der Schenkel Längsflansche in Längsrichtung der Komplementärstruktur mit Mitteln zur Fixierung der Rumpfschale an der Komplementärstruktur aufweist, und an den Begrenzungen der Komplementärstruktur in Längsrichtung Querflansche vorgesehen sind, und dass die Komplementärstruktur als Weicher Kasten aus Verbundmaterialien ausgebildet ist.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Vermeidung von Instabilitäten belasteter Strukturen anzugeben, die derart ausgebildet sind, dass kleine sowie verhältnismäßig große dünnwandige und/oder schlanke und/oder instabilitätsversagensgefährdete Strukturen belastet werden können, ohne dass Instabilitätseffekte, wie z.B. Knicken oder Beulen an den jeweiligen Strukturen eintreten. Speziell im Bereich der Prüftechnik, bei Prüfkörpern kann so die Größe des Messbereiches erhöht und damit die Messgenauigkeit verbessert werden. Außerdem sollen im Falle der Kerbspannungsanalyse an großflächigen Prüfkörpern mit technisch relevanten makroskopischen Ausschnitten sowie die Spannungsanalyse an dünnwandigen ebenen Prüfkörpern unter verschiedenen Belastungen ohne störenden Einfluss der Einspannungseffekte oder Randeffekte am Prüfkörper durchgeführt werden können.
• Gegenüber bekannten Lösungen soll die Reibung durch Ausnutzung der gegenüber Gleitreibung deutlich geringeren Rollreibung oder Fluidreibung erheblich reduziert werden. Zusätzliche Vorteile können dabei erreicht werden, indem nur so viele Stützelemente zur Stützung verwendet werden als für die Stützung gegen die Instabilität notwendig bzw. geeignet sind, wodurch gegenüber herkömmlichen Lösungen selbst bei Stützelementen, die nach dem Prinzip der Gleitreibung funktionieren, die Kontaktflächen und damit die Reibung minimiert wird.
• Die Aufgabe wird durch die Merkmale der Patentansprüche 1 und 11 gelöst. Die Vorrichtung zur Vermeidung von Instabilitäten belasteter Strukturen, wobei an den Strukturen anliegend mindestens zwei sich gegenüberliegende verstellbare Stützelemente vorgesehen sind,
  wobei gemäß dem Kennzeichenteil des Patentanspruch 1
• – die Stützelemente auf jeder anliegenden Seite der Struktur zur Einstellung einer oder mehrerer auf die Stützelementeabstände zur Vermeidung von Instabilitätseffektformen vorgesehen sind und wobei Instabilitätseffektformen dem Versagen der Strukturen zugeordnet sind,
• – wobei die Struktur bezogen auf den Querschnitt der Struktur höchstens von zwei sich jeweils parallel gegenüberliegenden und die Struktur mehrseitig kontaktierenden Anordnungen von Stützelementen gelagert und/oder positioniert und/oder geführt und/oder gehaltert ist,
• – wobei als Instabilitätseffektformlängen der Abstand zwischen zwei bestimmten, einseitig systematisch angeordneten und die Struktur kontaktierenden Stützelementen definiert ist und
• – wobei die von den Stützelementen beeinflusste Instabilitätseffektform einstellbar ist,
• – wobei Instabilitätseffektformen vermieden werden, wenn die beaufschlagte Last kleiner als die Versagenslast, die die Instabilitäten hervorrufende Last darstellt, ist,
• – wobei durch die mehrfache, jeweils lokal begrenzte Abstützung nur eine geringe Reibung oder Widerstandskraft der Stützelemente an der belasteten Struktur bedingen, wodurch belastete Strukturen gegen Instabilitäten gestützt werden.
• Die Vorrichtung kann zumindest
• – ein Stützgerüst,
• – die daran befindlichen Stützelemente,
• – mindestens einen Messbereich zur Registrierung von Messgrößen von richtungsabhängigen Werkstoffeigenschaften der Struktur,
• – mindestens einen Sensor zur Erfassung der Messgrößen und von Drucklasten,
• – eine Auswerteeinheit, in der wahlweise eine Steuereinheit eingebracht ist, zur Berechnung der Stützelementeabstände und der korrespondierenden Instabilitätseffektformlänge/n und
• – eine mit der Auswerteeinheit verbundene Anzeigeeinheit zur Anzeige der erforderlichen Messgrößen und der daraus abgeleiteten Instabilitäten und/oder von Instabilitätseffektformen
enthalten.
• Die Instabilitätseffektformlänge beim Knicken ist durch eine Knicklänge charakterisiert und die Instabilitätseffektformlänge beim Beulen ist durch eine Beullänge und/oder Beulbreite definiert.
• Die Stützelemente können in fester, flüssiger oder gasförmiger Form ausgebildet sein und an den Kontaktstellen zur Struktur nur eine sehr geringe Reibung oder Widerstandskraft aufweisen.
• Die Stützelemente aus Festmaterial können lokal als stab- oder flächenförmiger Abstützung ausgebildet sein und bei kleinen Strukturverschiebungen eine gleichzeitige Biegung des stabförmigen Stützelementes ohne Gleitreibung bei sehr geringen Widerstandskräften bedingen.
• Die Stützelemente können Rollen- oder Kugellager oder Gleitlager sein, die entsprechend der Belastung und/oder Deformation ausgerichtet sind.
• Die Gleitlager können wahlweise einkomponentig oder mehrkomponentig sein, wobei einkomponentige Gleitlager eine ebene oder gekrümmte Kontaktfläche zur belasteten Struktur aufweisen, die lokal begrenzt eine Stützfunktion übernehmen.
• Die festen Stützelemente können zumindest eine reibungsvermindernde Beschichtung aufweisen.
• Die Stützelemente können flüssiges Material.
• Die Stützelemente können als gasförmiges Material ein Gas, ein Gasgemisch oder Luft einsetzen und bei Bedarf ein Luftpolster zur Stützung der Struktur sein.
• Die Struktur kann in der Regel ein Prüfkörper sein, und die Vorrichtung kann in der Prüftechnik zur Verminderung von Instabilitätseffekten, wie Stabknicken, Druckbeulen, Schubbeulen, Drillknicken und Biegedrillknicken eingesetzt werden.
• In der erfindungsgemäßen Vorrichtung befinden sich zumindest zweiseitig sich gegenüberliegende Stützelemente zur Einstellung einer oder mehrerer Knickoder Beullängen. Für den Aufbau der Vorrichtung lässt sich die Knicklänge bzw. Beullänge einstellen, wobei die Vorrichtung bezogen auf den Querschnitt der zu belastenden Struktur höchsten zwei sich jeweils parallel gegenüberliegende und die Struktur je nach Anforderung mehrseitig stützende Anordnungen von Stützelementen besitzt und die Struktur bewegbar gehaltert ist, wobei als Knicklänge und Beullänge der Abstand zwischen zwei bestimmten, einseitig systematisch angeordneten und die Struktur kontaktierenden Stützelementen definiert ist und wobei die von den Stützelementen jeweils gebildete Instabilitätsformlänge (beispielsweise Knicklänge oder Beullänge) einstellbar ist.
• Folgende besondere Vorteile gegenüber bekannten Verfahren werden bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung realisiert:
• 1. Die Stützelemente können in fester, flüssiger oder gasförmiger Form ausgebildet sein und weisen an den Kontaktstellen zur Struktur nur eine sehr geringe Reibung bzw. Widerstandskraft auf. Damit gibt es keinen oder nur einen wesentlich geringeren Verschleiß als bei herkömmlichen Vorrichtungen.
• 2. Aufgrund der geringen Reibung und der prinzipbedingten Funktionsweise können kleine sowie quasi beliebig große Strukturen hoch belastet werden, ohne dass Instabilitätsversagen auftritt.
• Zu den Instabilitätseffektformen werden zum Beispiel Stabknicken, Druckbeulen, Schubbeulen, Drillknicken und Biegedrillknicken gezählt.
• Der Erfindung liegen je nach Anforderung folgende Verfahren zugrunde:
• 1. Neben der bekannten Geometrie und damit den Instabilitätseffekt bedingenden strukturellen Dimensionen, lassen sich mittels einer Messtechnik die eingeleiteten Belastungen bestimmen. In Abhängigkeit der eingeleiteten oder vorher definierten Last werden die Stützelemente manuell oder automatisch über eine Regelung derart positioniert, dass die belastete Struktur kein Instabilitätsverhalten oder Instabilitätsversagen erfährt.
• 2. In Abhängigkeit der aufgebrachten Belastung auf die zu belastende Struktur erlaubt die Vorrichtung die Einstellung und/oder Nachführung und/oder Regelung der Steifigkeit der Stützelemente und/oder der Stützelementkraft. Dies kann in Relation zur Belastung erfolgen und dient somit nicht nur der Verhinderung der Instabilitätseffektform, sondern kann gerade bei geringen Lasten die Randeinflüsse der Stützelemente verringern.
• Das Verfahren zur Einstellung einer oder mehrerer Instabilitätseffektformlänge/n (z.B. Knicklänge oder Beullänge) zwischen mindestens zwei sich gegenüberliegenden und eine Struktur stützenden Stützelementen innerhalb eines Stützgerüstes einer vorgenannten Vorrichtung
  weist gemäß dem Kennzeichenteil des Patentanspruchs 10
  folgende Schritte auf:
• – Registrierung einer einachsigen Belastung (z.B. Druckkraft) oder von mehrachsigen Belastungen mittels mindestens eines Kraftmesssensors, der mit einer Steuereinheit oder direkt mit einer Auswerteeinheit verbunden ist,
• – Registrierung von Messgrößen der richtungsabhängigen Werkstoffeigenschaften durch mindestens einen Sensor, der mit der Steuereinheit oder direkt mit einer Auswerteeinheit verbunden ist,
• – Auswertung der registrierten und vorgenannten Messgrößen und Bestimmung von Instabilitätseffektformgrößen, wie z.B. Knicklänge und Beullänge, durch Berechnung in einer Auswerteeinheit, der die Steuereinheit zugeordnet ist, wobei die bestimmten Instabilitätseffektabstände oder Instabilitätseffektflächen durch veränderte Abstände der Stützelemente und/oder durch Einbringung neuer stützender Stützelemente zur Kontaktierung an der Struktur gegeben ist,
• – Anzeige zumindest der berechneten Instabilitätseffektabstände oder Instabilitätseffektflächen auf einer zugehörigen Anzeigeeinheit und
• – Verschiebung der Stützelemente und/oder Änderung der Anzahl der die Struktur stützenden Stützelemente am Stützgerüst bei Änderung der Messgrößen und somit der der Struktur zugeordneten und bestimmten Instabilitätseffektformabstände oder Instabilitätseffektflächen.
• Das Verfahren zur Einstellung von Beulflächen zwischen mindestens zwei sich gegenüberliegenden und eine Struktur stützenden Stützelementen innerhalb eines Stützgerüstes einer Vorrichtung weist folgende Schritte auf:
• – Registrierung einer einachsigen Belastung, z.B. einer Druckkraft, oder von mehrachsigen Belastungen mittels mindestens eines Kraftmesssensors, der mit einer Steuereinheit oder direkt mit einer Auswerteeinheit verbunden ist,
• – Registrierung von Messgrößen der richtungsabhängigen Werkstoffeigenschaften durch mindestens einen Sensor, der mit der Steuereinheit oder direkt mit einer Auswerteeinheit verbunden ist,
• – Auswertung der registrierten und vorgenannten Messgrößen und Bestimmung von Beulflächen durch Berechnung in einer Auswerteeinheit, der die Steuereinheit zugeordnet ist, wobei die bestimmten Beulflächen durch veränderte Abstände der stützenden Stützelemente und/oder durch Einbringung neuer stützender Stützelemente zur Kontaktierung an der Struktur gegeben ist,
• – Anzeige zumindest der berechneten Beulflächen auf einer zugehörigen Anzeigeeinheit und
• – Verschiebung der Stützelemente und/oder Änderung der Anzahl der die Struktur stützenden Stützelemente am Stützgerüst der Vorrichtung bei Änderung der Messgrößen und somit der der Struktur zugeordneten und bestimmten Beulflächen.
• Bei einem speziellen Verfahren zur Einstellung einer Knicklänge als Instabilitätseffektformlänge zwischen mindestens zwei sich gegenüberliegenden und eine Struktur stützenden Stützelementen innerhalb eines Stützgerüstes einer Vorrichtung, sind folgende Schritte vorgesehen:
• – Registrierung der einachsigen Drucklast/-lasten mittels mindestens eines Lastmesssensors, z.B. eines Kraftmesssensors, der mit einer Steuereinheit oder direkt mit einer Auswerteeinheit verbunden ist,
• – Registrierung von Messgrößen der richtungsabhängigen Werkstoffeigenschaften durch mindestens einen Sensor, der mit der Steuereinheit oder direkt mit einer Auswerteeinheit verbunden ist,
• – Auswertung der registrierten und vorgenannten Messgrößen und Bestimmung der Knicklängen durch Berechnung in einer Auswerteeinheit, der die Steuereinheit zugeordnet ist, wobei die bestimmte Knicklänge durch veränderte Abstände der stützenden Stützelemente und/oder durch Einbringung neuer stützender Stützelemente zur Kontaktierung am Prüfkörper gegeben ist,
• – Anzeige zumindest der berechneten Knicklänge auf einer zugehörigen Anzeigeeinheit und
• – Verschiebung der Stützelemente und/oder Änderung der Anzahl der den Prüfkörper stützenden Stützelemente am Stützgerüst bei Änderung der Messgrößen und somit der dem Prüfkörper zugeordneten und bestimmten Knicklänge.
• Weiterbildungen der Erfindung und spezielle Ausgestaltungen der Erfindung sind in weiteren Unteransprüchen angegeben.
• Die Erfindung wird mittels eines Ausführungsbeispiels anhand einer Zeichnung näher erläutert:
  Es zeigen:
• 1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Bestimmung einer Knicklänge unter Vermeidung von Knicken bei einer einachsigen Drucklast auf einen Prüfkörper.
• In 1 ist in einer schematischen Darstellung eine Vorrichtung 1 zur Vermeidung von Instabilitäten, hier Knicken, einer belasteten und als Prüfkörper ausgebildeten Struktur 2, wobei an dem dünnwandigen Prüfkörper 2 anliegend zumindest zweiseitig sich gegenüberliegende verstellbare Stützelemente 3, 4; 5, 6; 7, 8; 9, 10 vorgesehen sind. Die Vorrichtung 1 enthält zumindest
• – ein Stützgerüst 11,
• – daran die jeweils seitlich befindlichen Stützelemente 3, 4; 5, 6; 7, 8; 9, 10,
• – mindestens einen Messbereich 12 zur Registrierung von Messgrößen von richtungsabhängigen Werkstoffeigenschaften,
• – mindestens einen Sensor 13, 19 zur Erfassung der Messgrößen und von Drucklasten,
• – eine Auswerteeinheit 14, in der wahlweise eine Steuereinheit 15 eingebracht ist, zur Berechnung der Knicklänge/n l und zur Angabe der Einstellung der korrespondierenden Stützelementeabstände,
• – eine mit der Auswerteeinheit 14 verbundene Anzeigeeinheit 16 zur Anzeige der Messgrößen und der einstellbaren/eingestellten Knicklänge l und des voraussichtlichen Knickens,
wobei die Stützelemente 3–5, 5–7, 7–9 und 4–6, 6–8, 8–10 auf jeder anliegenden Seite 17 und 18 des Prüfkörpers 2 zur Einstellung einer oder mehrerer auf die Stützelementeabstände l zur Vermeidung des Knickens vorgesehen sind und wobei das Knicken dem Versagen des Prüfkörpers 2 zugeordnet ist, wobei der Prüfkörper 2 bezogen auf den Querschnitt des Prüfkörpers 2 höchstens von den zwei sich jeweils parallel gegenüberliegenden und der Prüfkörper 2 mehrseitig kontaktierenden Anordnungen von Stützelementen 3–5, 5–7, 7–9 und 4–6, 6–8, 8–10 gelagert und/oder positioniert und/oder geführt und/oder gehaltert ist, wobei als Knicklängen l die Abstände zwischen zwei bestimmten, einseitig systematisch angeordneten und den Prüfkörper 2 kontaktierenden Stützelementen 3, 4; 5, 6; 7, 8; 9, 10 definiert sind und wobei die von den Stützelementen 3, 4; 5, 6; 7, 8; 9, 10 jeweils beeinflusste Knicklänge l einstellbar ist, wobei das Knicken vermieden wird, wenn die beaufschlagte Last F kleiner als die Versagenslast F_K ist, die die das Knicken hervorrufende Last darstellt, wobei durch die mehrfache, jeweils lokal begrenzte Abstützung nur eine geringe Reibung oder Widerstandskraft der Stützelemente 4; 5, 6; 7, 8; 9, 10 an dem belasteten Prüfkörper 2 bedingen, wodurch der belastete Prüfkörper 2 gegen das Knicken geschützt wird.
• Bei dem Verfahren zur Bestimmung und Einstellung einer Knicklänge l als Instabilitätseffektformlänge zwischen zwei zumindest sich gegenüberliegenden und eine als Prüfkörper ausgebildete Struktur 2 stützenden Stützelementen 4; 5, 6; 7, 8; 9, 10 innerhalb eines Stützgerüstes 11 der Vorrichtung 1
  werden folgende Schritte durchgeführt:
• – Registrierung der einachsigen Drucklast F mittels mindestens eines Lastmesssensors 19, z.B. eines Kraftmesssensors, der mit einer Steuereinheit 15 oder direkt mit der Auswerteeinheit 14 verbunden ist,
• – Registrierung von Messgrößen der richtungsabhängigen Werkstoffeigenschaften durch mindestens einen Sensor 13, der mit der Steuereinheit 15 oder direkt mit der Auswerteeinheit 14 verbunden ist,
• – Auswertung der registrierten und vorgenannten Messgrößen und Bestimmung der Knicklänge l durch Berechnung in einer Auswerteeinheit 14, der die Steuereinheit 15 zugeordnet ist, wobei die bestimmte Knicklänge l durch veränderte Abstände der stützenden Stützelemente 3, 4; 5, 6; 7, 8; 9, 10 und/oder durch Einbringung neuer stützender Stützelemente zur Kontaktierung am Prüfkörper 2 gegeben ist,
• – Anzeige zumindest der berechneten Knicklänge l auf einer zugehörigen Anzeigeeinheit 16 und
• – Verschiebung der Stützelemente 3, 4; 5, 6; 7, 8; 9, 10 und/oder Änderung der Anzahl der den Prüfkörper 2 stützenden Stützelemente 3, 4; 5, 6; 7, 8; 9, 10 am Stützgerüst 11 bei Änderung der Messgrößen und somit der dem Prüfkörper 2 zugeordneten und bestimmten Knicklänge l.
• Bezugszeichenliste

1

Vorrichtung

2

Struktur/Prüfkörper

3

Stützelement

4

Stützelement

5

Stützelement

6

Stützelement

7

Stützelement

8

Stützelement

9

Stützelement

10

Stützelement

11

Stützgerüst

12

Messbereich

13

Sensor

14

Auswerteeinheit

15

Steuereinheit

16

Anzeigeeinheit

17

erste Seite

18

zweite gegenüberliegende Seite

19

Lastmesssensor

l

Knicklänge/Stützelementeabstand

F

Drucklast

F_K

Versagenslänge

Claims (16)

1. Vorrichtung (1) zur Vermeidung von Instabilitäten belasteter Strukturen (2), wobei an den Strukturen (2) anliegend mindestens zwei sich gegenüberliegende verstellbare Stützelemente (3, 4; 5, 6; 7, 8; 9, 10) vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, dass – die Stützelemente (3, 4; 5, 6; 7, 8; 9, 10) auf jeder anliegenden Seite (17, 18) der Struktur (2) zur Einstellung einer oder mehrerer Stützelementeabstände (l) zur Vermeidung von Instabilitätseffektformen vorgesehen sind, und wobei Instabilitätseffektformen dem Versagen der Strukturen (2) zugeordnet sind, – wobei die Struktur (2) bezogen auf den Querschnitt der Struktur (2) höchstens von zwei sich jeweils parallel gegenüberliegenden und die Struktur (2) mehrseitig kontaktierenden Anordnungen von Stützelementen (3, 4; 5, 6; 7, 8; 9, 10) gelagert und/oder positioniert und/oder geführt ist, – wobei als Instabilitätseffektformlängen (l) der Abstand zwischen zwei bestimmten, einseitig systematisch angeordneten und die Struktur (2) kontaktierenden Stützelementen (3, 4; 5, 6; 7, 8; 9, 10) definiert ist und – wobei die von den Stützelementen (3, 4; 5, 6; 7, 8; 9, 10) beeinflusste Instabilitätseffektformlänge (l) einstellbar ist, – wobei Instabilitätseffektformen vermieden werden, wenn die beaufschlagte Last kleiner als die Versagenslast, die die Instabilitäten hervorrufende Last darstellt, ist, – wobei durch die mehrfache, jeweils lokal begrenzte Abstützung nur eine geringe Reibung oder Widerstandskraft der Stützelemente (3, 4; 5, 6; 7, 8; 9, 10) an der belasteten Struktur (2) bedingen, wodurch belastete Strukturen (2) gegen Instabilitäten geschützt werden.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (1) – ein Stützgerüst (11), – die daran befindlichen Stützelemente (3, 4; 5, 6; 7, 8; 9, 10), – mindestens einen Messbereich zur Registrierung von Messgrößen von richtungsabhängigen Werkstoffeigenschaften der Struktur (2), – mindestens einen Sensor (13, 19) zur Erfassung der Messgrößen und von Drucklasten, – eine Auswerteeinheit (14), in der wahlweise eine Steuereinheit (15) eingebracht ist, zur Berechnung der Instabilitätseffektformlänge/n (l), – eine mit der Auswerteeinheit (14) verbundene Anzeigeeinheit (16) zur Anzeige der Messgrößen und der Instabilitäten und/oder der Instabilitätseffektformen enthält.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Instabilitätseffektformlänge beim Knicken durch eine Knicklänge charakterisiert und die Instabilitätseffektformlänge beim Beulen durch eine Beullänge und/oder Beulbreite definiert sind.
4. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Stützelemente in fester, flüssiger oder gasförmiger Form ausgebildet sind und an den Kontaktstellen zur Struktur nur eine sehr geringe Reibung oder Widerstandskraft aufweisen.
5. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass Stützelemente aus Festmaterial lokal als stab- oder flächenförmiger Abstützung ausgebildet sind und bei kleinen Strukturverschiebungen eine gleichzeitige Biegung des stabförmigen Stützelementes ohne Gleitreibung bei sehr geringen Widerstandskräften bedingen.
6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stützelemente Rollen- oder Kugellager oder Gleitlager sind, die entsprechend der Belastung und/oder Deformation ausgerichtet sind.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Gleitlager wahlweise einkomponentig oder mehrkomponentig sind, wobei einkomponentige Gleitlager eine ebene oder gekrümmte Kontaktfläche zur belasteten Struktur aufweisen, die lokal begrenzt eine Stützfunktion übernehmen.
8. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die festen Stützelemente zumindest eine reibungsvermindernde Beschichtung aufweisen.
9. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Stützelemente flüssiges Material sind.
10. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Stützelemente als gasförmiges Material ein Gas, ein Gasgemisch oder Luft einsetzen und bei Bedarf ein Luftpolster zur Stützung der Struktur sind.
11. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Struktur ein Prüfkörper ist, und die Vorrichtung in der Prüftechnik zur Verminderung von Instabilitätseffekten, wie Stabknicken, Druckbeulen, Schubbeulen, Drillknicken und Biegedrillknicken eingesetzt wird.
12. Verfahren zur Einstellung einer oder mehrerer Instabilitätseffektformlänge/n zur Vermeidung von Instabilitäten belasteter Strukturen zwischen mindestens zwei sich gegenüberliegenden und eine Struktur stützenden Stützelementen innerhalb eines Stützgerüstes einer Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 11, gekennzeichnet durch folgende Schritte: – Neben der bekannten Geometrie und damit den Instabilitätseffekt bedingenden strukturellen Dimensionen werden mittels einer Messtechnik die eingeleiteten Belastungen bestimmt, – wobei in Abhängigkeit der eingeleiteten oder vorher definierten Last die Stützelemente manuell oder automatisch über eine Regelung derart positioniert werden, dass die belastete Struktur kein Instabilitätsverhalten oder Instabilitätsversagen erfährt.
13. Verfahren zur Einstellung einer oder mehrerer Instabilitätseffektformlänge/n zwischen mindestens zwei sich gegenüberliegenden und eine Struktur stützenden Stützelementen innerhalb eines Stützgerüstes einer Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 11 und nach Anspruch 12, gekennzeichnet durch folgende Schritte: – In Abhängigkeit der aufgebrachten Belastung auf die zu belastende Struktur wird mittels der Vorrichtung die Einstellung und/oder Nachführung und/oder Regelung der Steifigkeit der Stützelemente und/oder der Stützelementkraft durchgeführt, das in Relation zur Belastung erfolgt und somit nicht nur der Verhinderung des Instabilitätseffektes dient, sondern gerade bei geringen Lasten auf die Struktur die Randeinflüsse durch die Stützelemente verringern hilft.
14. Verfahren zur Einstellung von Stützelementeabständen zur Vermeidung von Instabilitäten belasteter Strukturen zwischen mindestens zwei sich gegenüberliegenden und eine Struktur stützenden Stützelementen innerhalb eines Stützgerüstes der Vorrichtung nach den vorhergehenden Ansprüchen 1 bis 11 und des Verfahrens nach den Ansprüchen 12 und 13, aufweisend folgende Schritte: – Registrierung einer oder mehrerer einachsigen oder von mehrachsiger Drucklast oder -lasten mittels mindestens eines Belastungsmesssensors, der mit einer Steuereinheit oder direkt mit der Auswerteeinheit verbunden ist, – Registrierung von Messgrößen der richtungsabhängigen Werkstoffeigenschaften durch mindestens einen Sensor, der mit der Steuereinheit oder direkt mit der Auswerteeinheit verbunden ist, – Auswertung der registrierten und vorgenannten Messgrößen und Bestimmung von Instabilitätseffektgrößen und/oder von Stützelementeabständen durch Berechnung in einer Auswerteeinheit, der die Steuereinheit zugeordnet ist, wobei bestimmte Instabilitätseffektabstände oder Instabilitätseffektflächen durch veränderte Abstände der Stützelemente und/oder durch Einbringung neuer Stützelemente zur Kontaktierung an der Struktur gegeben ist, – Anzeige zumindest der berechneten Instabilitätseffektabstände oder Instabilitätseffektflächen und/oder Stützelementeabstände auf einer zugehörigen Anzeigeeinheit und – Verschiebung der Stützelemente und/oder Änderung der Anzahl der die Struktur stützenden Stützelemente am Stützgerüst bei Änderung der Messgrößen und somit der der Struktur zugeordneten und bestimmten Instabilitätseffektabstände oder Instabilitätseffektflächen.
15. Verfahren zur Einstellung von Stützelementeabständen zur Vermeidung von Beulen belasteter Strukturen zwischen mindestens zwei sich gegenüberliegenden und eine Struktur stützenden Stützelementen innerhalb eines Stützgerüstes der Vorrichtung nach den vorhergehenden Ansprüchen 1 bis 11 und des Verfahrens nach Anspruch 14, aufweisend folgende Schritte: – Registrierung einer oder mehrerer einachsigen oder einer mehrachsiger Drucklast oder -lasten mittels mindestens eines Belastungsmesssensors, der mit einer Steuereinheit oder direkt mit der Auswerteeinheit verbunden ist, – Registrierung von Messgrößen der richtungsabhängigen Werkstoffeigenschaften durch mindestens einen Sensor, der mit der Steuereinheit oder direkt mit der Auswerteeinheit verbunden ist, – Auswertung der registrierten und vorgenannten Messgrößen und Bestimmung von Beulflächen und/oder von Stützelementeabständen durch Berechnung in der Auswerteeinheit, der die Steuereinheit zugeordnet ist, wobei bestimmte Beulflächen durch veränderte Abstände der Stützelemente und/oder durch Einbringung neuer Stützelemente zur Kontaktierung an der Struktur gegeben ist, – Anzeige zumindest der berechneten Beulflächen und Stützelementabstände auf der zugehörigen Anzeigeeinheit und – Verschiebung der Stützelemente und/oder Änderung der Anzahl der die Struktur stützenden Stützelemente am Stützgerüst bei Änderung der Messgrößen und somit der der Struktur zugeordneten und bestimmten Beulflächen.
16. Verfahren zur Einstellung einer Knicklänge zur Vermeidung von Knicken druckbelasteter Strukturen (2) zwischen mindestens zwei sich gegenüberliegenden und eine Struktur (2) stützenden Stützelementen (3, 4; 5, 6; 7, 8; 9, 10) innerhalb eines Stützgerüstes (11) der Vorrichtung (1) nach den vorhergehenden Ansprüchen 1 bis 11 und dem Verfahren nach Anspruch 14, gekennzeichnet durch folgende Schritte: – Registrierung der einachsigen Drucklast mittels mindestens eines Kraftmesssensors, der mit einer Steuereinheit (15) oder direkt mit einer Auswerteeinheit (14) verbunden ist, – Registrierung von Messgrößen der richtungsabhängigen Werkstoffeigenschaften durch mindestens einen Sensor (13, 19), der mit der Steuereinheit (15) oder mit der Auswerteeinheit (14) direkt verbunden ist, – Auswertung der registrierten und vorgenannten Messgrößen und Bestimmung der Knicklängen durch Berechnung in einer Auswerteeinheit (14), der die Steuereinheit (15) zugeordnet ist, wobei die bestimmte Knicklänge durch veränderte Abstände der stützenden Stützelemente (3, 4; 5, 6; 7, 8; 9, 10) und/oder durch Einbringung neuer stützender Stützelemente zur Kontaktierung an der Struktur (2) eingestellt wird, – Anzeige zumindest der berechneten Knicklänge auf einer zugehörigen Anzeigeeinheit (16) und – Verschiebung der Stützelemente (3, 4; 5, 6; 7, 8; 9, 10) und/oder Änderung der Anzahl der die Struktur (2) stützenden Stützelemente (3, 4; 5, 6; 7, 8; 9, 10) am Stützgerüst (11) bei Änderung der Messgrößen und somit der der Struktur (2) zugeordneten und bestimmten Knicklänge.

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