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Die Erfindung bezieht sich auf eine Prüfvorrichtung sowie ein Verfahren sowie ein Verfahren zur Beurteilung des Ermüdungsverhaltens eines Prüflings, insbesondere aus einem kohlenstofffaserverstärkten Kunststoff, mit einem Schwingsystem zur zyklischen mechanischen Anregung des Prüflings, einem Generator zur Erzeugung eines Treibersignals mit einer Frequenz größer oder gleich 5 kHz, wobei der Generator und das Schwingsystem derart miteinander verbunden sind, dass das Treibersignal an das Schwingsystem übertragen wird und mindestens einer Einrichtung zur Erfassung von Veränderungen am Werkstoff des Prüflings während einer vorgegebenen Zeit, und ein Verfahren zur Beurteilung des Ermüdungsverhaltens eines Prüflings, insbesondere aus einem kohlenstofffaserverstärkten Kunststoff, mittels einer vorgenannten Prüfvorrichtung.
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In vielen Bereichen der Industrie, insbesondere in der Luft- und Raumfahrt, aber auch zunehmend im Automobilbereich, werden kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe (CFK) als Konstruktionswerkstoff eingesetzt. Die kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffe weisen gute mechanische Eigenschaften und eine hohe spezifische Steifigkeit sowie Festigkeit bei einem verhältnismäßig geringen Gewicht auf. In der Luftfahrt existieren Flugzeuge, die über einen Anteil von deutlich über 50 % der Flugzeuggesamtmasse an kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen verfügen.
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Der Kenntnisstand bezüglich der Ermüdung kohlenstofffaserverstärkter Kunststoffe ist jedoch, speziell in dem für die Flugzeugindustrie wichtigen Very High Cycle Fatigue (im folgenden VHCF) Bereich, sehr gering. Daher werden Bauteile häufig überdimensioniert, um auch gegen Ende der Einsatzdauer ausreichende Sicherheit zu gewährleisten, wodurch der Werkstoff nicht optimal ausgenutzt wird, was aus ökonomischer Sicht vermieden werden sollte.
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Ermüdungsuntersuchungen an kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen gemäß dem Stand der Technik werden überwiegend auf servohydraulischen Schwingprüfsystemen durchgeführt, die mit Prüffrequenzen zwischen 2 Hz und 10 Hz arbeiten und unter optimalen Bedingungen ca. 3,2 Jahre zum Erreichen von 109 Lastwechseln benötigen. Bei einer in der Praxis üblichen Prüffrequenz von etwa 5 Hz ergibt sich eine Versuchsdauer von 6,3 Jahren bis zum Erreichen einer Lastspielzahl von 109 Zyklen.
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Zur Untersuchung des Ermüdungsverhaltens von Metallen im VHCF-Bereich sind aus der Praxis servohydraulische Prüfsysteme bekannt, welche mit Prüffrequenzen von bis zu 1000 Hz arbeiten. Diese Prüfsysteme können jedoch zur Untersuchung kohlenstofffaserverstärkter Kunststoffe nicht eingesetzt werden, da sich der Prüfkörper aus einem kohlenstofffaserverstärkten Kunststoff bei einer solchen Frequenz und in Verbindung mit dem Prüfkonzept im Dauerbetrieb überkritisch und somit unzulässig erwärmt.
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Die
DE 10 2007 038 479 A1 offenbart eine Prüfvorrichtung zur Beurteilung des Ermüdungsverhaltens eines Werkstoffs mit einem Schwingsystem zur zyklischen mechanischen Anregung eines Prüflings, wobei das Schwingsystem ein Futter zur eingespannten Aufnahme des Prüflings aufweist. Zur Erzeugung eines Treibersignals mit einer Frequenz größer oder gleich 5 kHz ist ein Generator vorgesehen, wobei der Generator und das Schwingsystem derart miteinander verbunden sind, dass das Treibersignal an das Schwingsystem übertragen wird. Zur Erfassung von Veränderungen am Werkstoff des Prüflings während einer vorgegeben Messzeit ist mindestens eine Erfassungseinrichtung gekoppelt. Im Weiteren beschreibt dieses Dokument ein Verfahren zur Beurteilung des Ermüdungsverhaltens eines Werkstoffs, bei dem ein Prüfling mit einer Frequenz größer oder gleich 5 kHz zyklisch mechanisch angeregt wird und verformungsinduzierte, insbesondere mikrostrukturelle, Veränderungen am Werkstoff des Prüflings während einer vorgegeben Messzeit erfasst werden.
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Der
FR 2 680 003 A1 ist eine Vorrichtung zur Untersuchung eines Prüfkörpers zu entnehmen, die einen Hydraulikzylinder zur Erzeugung einer konstanten oder zyklischen Zugkraft, zwei Ultraschall-Resonatoren, zwei Vibrationsverstärker, zwischen denen der Prüfkörper angeordnet ist, ein statisches Kraftübertragungssystem und eine optische Vorrichtung zur Messung der Schwingungsamplitude umfasst.
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Aus der
WO 2012/081 873 A2 ist eine Ultrahochfrequenz-Ermüdungstest-Vorrichtung bekannt, die eine Vibrationseinheit zur Beaufschlagung eines Prüfkörpers mit einer vorbestimmten Frequenz, einen Stromgenerator für den Antrieb der Vibrationseinheit und eine Riss- Detektoreinheit zum Erfassen eines Risses in dem Prüfkörper, der auf einer Veränderung des elektrischen Widerstands des Prüfkörpers beruht, aufweist.
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Die
WO 2011/062 322 A1 zeigt eine Ultrahochfrequenz-Ermüdungstest-Vorrichtung mit einem ersten piezoelektrischen Wandler, der über einen Vibrationsverstärker mit dem einen Ende eines Prüfkörpers verbunden ist, und einen zweiten piezoelektrischen Wandler, der über einen weiteren Vibrationsverstärker an dem anderen Ende des Prüfkörpers festgelegt ist.
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Schließlich beschreibt die
AT 354 146 B eine Anordnung zur Durchführung ein- und mehrstufiger Ermüdungsversuche unter Verwendung einer niederfrequent arbeitenden Dauerschwingprüfmaschine, die durch einen Ultraschall-Resonanzantrieb erweitert ist, wobei die Schwingungsknotenstellen der über den Dauerschwingprüfling verbundenen Schallübertragungsstücke in den Einspannköpfen der Dauerschwingprüfmaschine fixiert sind und dort Langsamantriebe und Vorlasteinrichtung angreifen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine Prüfvorrichtung und ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, die bzw. das Ermüdungsuntersuchungen an einem Prüfkörper in einer relativ kurzen Zeit ermöglicht.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst.
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Die Unteransprüche stellen vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung dar.
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Die Prüfvorrichtung und das Verfahren ermöglichen Ermüdungsuntersuchungen von Prüflingen, insbesondere aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff (im Folgenden auch CFK genannt), im Very High Cycle Fatigue Bereich (VHCF-Bereich) mit sehr geringen Versuchsdauern. Zum Erreichen von 109 Lastwechseln werden beispielsweise bei einer bei einem servohydraulischen Schwingprüfsystem üblichen Frequenz von 5 Hertz (Hz) 6,3 Jahre benötigt. Mit der hier beschriebenen Prüfvorrichtung sind bis zum Erreichen von 109 Lastwechseln nur 11 Tage nötig. Damit stellt die Erfindung eine Möglichkeit dar, in vergleichsweise kurzer Zeit umfangreiche Kenntnisse über das Ermüdungsverhalten von CFK zu gewinnen.
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Ein ebener CFK-Prüfkörper wird in eine definierte Biegeschwingung, beispielsweise mit einer Frequenz von 20 kHz, versetzt, wobei der Versuchsaufbau im Wesentlichen dem bekannten und anerkannten Prinzip eines Drei- oder Vier-Punkt-Biegeversuches entspricht und die Krafteinleitung von der Oberseite des Prüfkörpers durch ein mit einer Eigenfrequenz von ca. 20 kHz schwingendes Ultraschallresonanzsystem erfolgt.
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Das Ultraschallresonanzsystem umfasst einen Konverter, einen Booster und eine Beanspruchungseinheit mit einem den Prüfkörper beaufschlagenden Stempel. Der Konverter wandelt die von einem Ultraschallgenerator erzeugte hochfrequente Wechselspannung in eine mechanische Schwingung um, deren Frequenz der Frequenz der Wechselspannung entspricht. Der Booster verstärkt und stabilisiert diese Schwingung. Die Beanspruchungseinheit verstärkt die Amplitude der Schwingung nochmals und überträgt diese mittels des Stempels auf den CFK-Prüfkörper, wobei die Wegamplitude der Ultraschallschwingung bevorzugt bis zu ca. 70 µm beträgt. Der auf Eigenresonanz bei 20 kHz abgestimmte CFK-Prüfkörper folgt der Bewegung der Beanspruchungseinheit des Ultraschallresonanzsystems.
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Da im Falle von Dauerschall eine unzulässige Erwärmung des CFK-Prüfkörpers erfolgt, wird der Prüfkörper im Puls-Pause-Betrieb beansprucht und zusätzlich durch trockene, gereinigte Druckluft gekühlt. Durch die Anordnung einer Thermokamera wird die Temperatur des CFK-Prüfkörpers permanent berührungslos überwacht, um eine unzulässige Erwärmung zu verhindern und Ermüdungsschäden, die mit lokalen Temperaturerhöhungen einhergehen, zu detektieren. Mittels eines Laser-Doppler-Vibrometers wird die Amplitude der Schwingung des Prüfkörpers gemessen und dessen Frequenz ermittelt. Über den Prüfkörper von unten stützende metallische Auflager wird bevorzugt ein Konstantstrom eingeleitet, um den elektrischen Widerstand des Prüfkörpers zu erfassen und zu überwachen, damit ein Ermüdungsschaden, der mit Faserbrüchen und einem daraus resultierenden höheren elektrischen Widerstand des Prüfkörpers zusammenhängt, detektiert werden kann.
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Durch Online-Messungen mittels Laser-Doppler-Vibrometrie, Thermografie und Resistometrie kann bereits während des Ermüdungsexperimentes der Schädigungsstatus des Prüflings erfasst werden.
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Insbesondere durch die eigenresonante Anregung des CFK-Prüfkörpers mittels eines Ultraschallresonanzsystems mit einer Frequenz von vorzugsweise 20 kHz sowie die Einleitung dieser hochfrequenten Schwingung durch eine Drei- oder eine Vier-Punkt-Biegebeanspruchung ohne unzulässige Temperaturerhöhung durch permanente Kühlung und Puls-Pause-Betrieb ist eine zuverlässige Aussage zum Ermüdungsverhalten des Prüfkörpers in kurzer Zeit möglich. Durch die Aufbringung der Schwingung in Form einer Biegebeanspruchung entfällt zusätzlich das Problem der Einspannung des CFK-Prüfkörpers.
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Die große Zeitersparnis im Vergleich zu herkömmlichen servohydraulischen Prüfsystemen und damit die generelle Möglichkeit das VHCF-Verhalten von CFK in vertretbaren Versuchszeiten untersuchen zu können bietet einen wesentlichen Vorteil. Die Versuchsdauer kann gegenüber konventionellen Prüfsystemen, bei gleicher Reproduzierbarkeit der Ergebnisse, etwa um den Faktor 11 bei 109 Lastzyklen verkürzt werden. Somit werden Ermüdungsuntersuchungen von CFK im VHCF-Bereich rentabel und dringend benötigte Kenntnisse über das Ermüdungsverhalten von kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen können gewonnen werden.
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Mit der Zeitersparnis bei der Versuchsdurchführung geht eine Kosteneinsparung einher. Des Weiteren ist das Prüfsystem nahezu wartungsfrei.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen verwendbar sind. Der Rahmen der Erfindung ist nur durch die Ansprüche definiert.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand von zwei Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die zugehörige Zeichnung näher erläutert. Es zeigt:
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1 eine schematische Darstellung der Prüfvorrichtung nach der Erfindung und
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2 eine schematische Darstellung der Prüfvorrichtung nach 1 in alternativer Ausgestaltung.
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Die Prüfvorrichtung umfasst ein als Ultraschallschwingsystem ausgebildetes Schwingsystem 1 mit einem Schwingungsanreger 2 und einem Schwingungstransformer 3, die derart angeordnet sind, dass die Ultraschallwelle von dem Schwingungsanreger 2 über den Schwingungstransformer 3 auf eine einen Stempel 4 aufweisende Beanspruchungseinheit 5 übertragen wird, die zur Realisierung eines zyklischen 3-Punkt-Biegeversuchs geformt ist, wobei ein Prüfling 6 auf zwei zueinander beabstandeten Auflagern 7 aufliegt, die gleichmäßig zu dem Stempel 4 entfernt sind. Die Auflager 7 sowie der Stempel 4 weisen im Anlagebereich mit dem Prüfling 6 einen definierten Radius auf, um eine linienförmige Berührung sicherzustellen.
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An einer ortsfesten Lagerstelle 8, die sich an dem Schwingungsnullpunkt des Schwingungstransformers 3 befindet, ist das Schwingsystem 1 höhenverstellbar angeordnet. Der Schwingungsanreger 2 ist elektrisch mit einem Generator 12 verbunden, der den Schwingungsanreger 2 mit einem hochfrequenten Treibersignal versorgt, damit das Schwingsystem 1 eine Anregungsfrequenz von etwa 20 kHz auf den mit dem Stempel 4 kraftschlüssig gekoppelten Prüfling 6 überträgt.
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Um den Kraftschluss zwischen dem Stempel 4 des Schwingsystems 1 und dem Prüfling 6 herzustellen, wird der Prüfling 6 vor Beginn einer Beaufschlagung mit der Biegeschwingung durch eine entsprechende Positionierung des Stempels 4 statisch durchgebogen, indem das Schwingsystem 1 durch eine entsprechende Höhenverstellung relativ zu dem auf den Auflagern 7 positionierten Prüfling 6 verfahren wird.
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Die Vor- und/oder Mittelbeanspruchung, die über das Schwingsystem 1 auf den Prüfling 6 aufgebracht wird, beträgt zwischen 0 MPa und der Zug- bzw. Druckfestigkeit des Werkstoffs des Prüflings 6. Der Prüfling 6 wird somit in eine mit Mittelspannung überlagerte Biegeschwingung im ersten Biegemode versetzt. Die Beanspruchungseinheit 5 erreicht an dem Übergangspunkt zu dem Prüfling 6 die größte Wegamplitude.
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Aufgrund der fehlenden mechanischen Verbindung zwischen der Beanspruchungseinheit 5 und dem Prüfling 6 muss dessen erster transversaler Biegemode gleich der Anregungsfrequenz des Schwingsystems 1 sein. Zur Steuerung des Prüfverfahrens sind ein Steuerrechner 9, ein Messrechner 10 und ein Leitrechner 11 vorgesehen, wobei der Steuerrechner 9 und der Messrechner 10 in einem einzigen Gerät integriert sein können. Der Steuerrechner 9 und der Messrechner 10 arbeiten mit Echtzeitbetriebssystemen, um einen immer gleich bleibenden und reproduzierbaren Versuchsablauf zu garantieren. Der Steuerrechner 9 übernimmt die Kommunikation mit dem Generator 12, um die Schwingungsimpulse zeitlich zu steuern. Zeitgleich werden die anfallenden Messdaten von dem Messrechner 10 erfasst und verarbeitet. Der Leitrechner 11 dient als Benutzerschnittstelle zu der Versuchseinrichtung und speichert die vom Messrechner 10 erfassten Daten ab. Er kommuniziert sowohl mit dem Messrechner 10 und dem Steuerrechner 9 als auch mit dem Generator 12.
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Die beiden Auflager 7 sind variabel zu verstellen, da die Position der Auflagerpunkte des Prüflings 6 von entscheidender Bedeutung für dessen Schwingform ist und für die Untersuchung verschiedener Werkstoffe auch verschiedene Abstände der Auflager 7 erforderlich sind, um die korrekte Schwingform des Prüflings 6 sicherzustellen.
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Der Prüfling 6 ist im Wesentlichen rechteckförmig und weist beispielsweise eine Länge von etwa 33,5 mm, eine Breite von ca. 15 mm und eine Dicke von ungefähr 4 mm auf. Die geometrische Form des Prüflings 6 resultiert aus der Tatsache, dass der erste transversale Biegemode des Prüflings 6 mit der Resonanzfrequenz der Longitudinalschwingung des Schwingsystems 1 bei ca. 20 kHz übereinstimmen muss. Der Werkstoff des Prüflings 6 ist bevorzugt ein kohlenstofffaserverstärktes Polymer. Mit der Prüfvorrichtung können jedoch auch Prüflinge 6 aus anderen Werkstoffen und Verbundwerkstoffen untersucht werden.
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Eine von dem Leitrechner 8 gesteuerte Thermokamera 13 ist derart ausgerichtet, dass sie die vollständige räumliche Temperaturverteilung des Prüflings 6 während der gesamten Versuchszeit erfasst, damit Rückschlüsse auf das Ermüdungsverhalten und die zugrunde liegenden Wirkmechanismen möglich sind. Die erfasste Maximaltemperatur des Prüflings 6 dient nicht nur als Messwert für die Auswertung des Versuches, sondern auch als Steuergröße. Dazu wird das Temperatur-Messsignal über den Leitrechner 11 an den Steuerrechner 9 geleitet, der die Schwingungsanregung in Abhängigkeit von der mit der Thermokamera 13 erfassten maximalen Temperatur des Prüflings 6 regelt.
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Während des gesamten Experimentes wird der Prüfling 6 durch ein Fluid oder Gas, vorzugsweise trockene Luft gekühlt, weshalb entsprechende Düsen 14 vorgesehen sind, um die Erwärmung des Prüflings 6 während der impulsförmigen Schwingung zu begrenzen und die Abkühlung in Pause-Zyklen zu beschleunigen, was letztendlich zu einer Verkürzung der Versuchsdauer führt.
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Das Schwingsystem 1 der vorliegenden Prüfvorrichtung regt den Prüfling 6 impulsförmig an, wobei die Anregungsimpulse eine Impulsdauer, eine Wiederholrate und eine Impulsform mit einem im Wesentlichen sinusförmigen Amplitudengang aufweisen. Die Wiederholrate der Anregungsimpulse wird von dem Steuerrechner 9 in Abhängigkeit von der mit der Thermokamera 13 erfassten Temperatur derart gesteuert, dass die Temperatur des Prüflings 6 über die gesamte Messzeit hinweg im Wesentlichen konstant bleibt, wobei sich die Temperatur des Prüflings 6 um höchstens 30 K ändert. Der Pause-Zyklus wird vergrößert, wenn die Temperatur des Prüflings 6 einen vorgegebenen Wert übersteigt. Umgekehrt wird der Pause-Zyklus verringert, solange die Temperatur unter einem vorgegebenen Schwellenwert liegt. Auf diese Weise kann die Temperatur des Prüflings 6 über die Messzeit hinweg im Wesentlichen konstant gehalten werden, sodass der Prüfling 6 in dieser Zeit konstanten Messbedingungen unterliegt, während er mit einer maximal möglichen Schwingungszahl beansprucht wird, sodass die Gesamtmesszeit auch bei hohen zu erreichenden Lastwechselzahlen von 107 bis 1012 und darüber möglichst kurz gehalten werden kann.
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Mit einem mit dem Messrechner 10 gekoppelten Laser-Doppler-Vibrometer 15 wird während der Messzeit die Schwingungsamplitude des Prüflings 6 fortwährend erfasst und in die Auswertung der Messdaten einbezogen, da sich bei konstanter vom Schwingungsanreger 2 übertragener Anregungsamplitude mit zunehmender Lastwechselzahl die Schwingungsamplitude des Prüflings 6 ändert, was ein Zeichen für sich ändernde Werkstoffeigenschaften und eine sich möglicherweise abzeichnende Werkstoffermüdung bzw. ein Werkstoffversagen sein kann. Darüber hinaus ist das Laser-Doppler-Vibrometer 15 auch mit dem Steuerrechner 9 verbunden. Dabei kann der Steuerrechner 9 in Abhängigkeit von der mit dem Laser-Doppler-Vibrometer 15 über den Messrechner 10 erfassten Schwingungsamplitude des Prüflings 6, die Anregungsamplitude des Schwingungsanregers 2, die auf den Prüfling 6 übertragen wird, verändern. Auf diese Weise kann in Experimenten die maximale Wegamplitude des Prüflings 6 über die gesamte Messzeit hinweg konstant gehalten werden.
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Mit Hilfe eines Dehnmessstreifens 16 wird die Dehnung des Prüflings 6 auf dessen Unterseite erfasst. Dazu ist der Dehnmessstreifen 16 bzw. dessen Auswerteelektronik ebenfalls mit dem Messrechner 10 verbunden.
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Während der Messzeit wird die Leistungsaufnahme des Schwingsystems 1 erfasst, die ein Maß für die Leistungs- bzw. Energieaufnahme des Prüflings 6 ist und sich in Abhängigkeit von den Werkstoffeigenschaften und dem Ermüdungszustand des Prüflings 6 ändert.
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Der an den Kontaktpunkten 17 zwischen den Auflagern 7 und dem Prüfling 6 gemessene elektrische Widerstand bzw. die elektrische Leitfähigkeit sind ebenfalls Funktionen mikrostruktureller Veränderungen im Werkstoff des Prüflings 6. Die Änderungen dieser physikalischen Materialeigenschaften sind unter Umständen Indikatoren für eine Änderung der Versetzungsanordnung, der Versetzungsdichte, der Bildung von Poren und Matrixrissen oder das Entstehen von Delaminationen und Faserbrüchen in dem Werkstoff des Prüflings 6.
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Unter beiden Auflagern 7 sind Kraftsensoren 18 zur Kraftmessung integriert. Die anliegende Kraft wird vom Messrechner 10 über die gesamte Versuchsdauer erfasst und zur Verarbeitung und Speicherung an den Leitrechner 11 weitergegeben. Die Ergebnisse werden in die Auswertung des Versuches integriert. Die Kraft ändert sich in Abhängigkeit von den Werkstoffeigenschaften des Prüflings 6. Eine Veränderung der Kraft während des Versuches deutet auf eine Schädigung des Prüflings 6 hin.
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Während der Stempel 4 der der Prüfvorrichtung nach 1 für einen 3-Punkt-Biegeversuch geeignet ist, da er nur eine linienförmige Anlage aufweist, wird der zwei zueinander beabstandete linienförmige Anlagen aufweisende Stempel 4 nach 2 zur Durchführung eines 4-Punkt-Biegeversuchs verwendet, wobei die Prüfvorrichtungen im Übrigen einen identischen Aufbau aufweisen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Schwingsystem
- 2
- Schwingungsanreger
- 3
- Schwingungstransformer
- 4
- Stempel
- 5
- Beanspruchungseinheit
- 6
- Prüfling
- 7
- Auflager
- 8
- Lagerstelle
- 9
- Steuerrechner
- 10
- Messrechner
- 11
- Leitrechner
- 12
- Generator
- 13
- Thermokamera
- 14
- Düse
- 15
- Laser-Doppler-Vibrometer
- 16
- Dehnmessstreifen
- 17
- Kontaktpunkt
- 18
- Kraftsensor
