DE1573686C

DE1573686C - Method for determining the cumulative fatigue damage of a component

Info

Publication number: DE1573686C
Authority: DE
Inventors: Darrel Seattle Wash. Hartmg (V.StA.)
Original assignee: Boeing Co
Current assignee: Boeing Co
Publication date: 1971-07-08

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Ermitteln des kumulativen Ermüdungsschadens eines Bauteils, der wiederholten Belastungen ausgesetzt ist.The invention relates to a method for determining the cumulative fatigue damage of a Component that is exposed to repeated loads.

Bei früheren Versuchen zum Messen des Ermüdungszustandes wurden mit Hilfe von Ultraschallvorrichtungen die Änderungen von entsprechenden physikalischen Eigenschaften des Materials untersucht. Diese bekannten Verfahren haben jedoch versagt, da es entweder schwierig ist, diese Verfahren an einer begrenzten Fläche des Bauteils anzuwenden, oder die Deutung der Ergebnisse im Hinblick auf die gewünschte Ermüdungsdauerinformation unsicher ist und verschiedene Auslegungen möglich sind.Earlier attempts to measure fatigue were made using ultrasonic devices examines the changes in corresponding physical properties of the material. However, these known methods have failed either because it is difficult to perform these methods to apply to a limited area of the component, or the interpretation of the results with regard to the desired fatigue information is uncertain and different interpretations are possible.

Es sind auch Verfahren zum Ermitteln eines kumulativen Ermüdungsschadens bekannt, bei denen am Prüfkörper ein Meßelement angebracht wird, dessen Änderungen der physikalischen Eigenschaften im Verlaufe der Belastungen verfolgt werden und der Ermüdungszustand dadurch bestimmt wird, daß die Änderung dieser physikalischen Eigenschaft mit Werten der Ermüdungsdauer des Meßelements, die unter bekannten Bedingungen erhalten wurden, verglichen wird. Bei diesen bekannten Verfahren werden eingebettete Einzeldrähte oder Platten, die gegebenenfalls mit Schlitzen und Kerben versehen sind, verwendet, wobei im allgemeinen erst über die Zerstörung des Meßelements infolge der Belastungseinwirkungen auf den Ermüdungszustand geschlossen wird.Methods are also known for determining cumulative fatigue damage in which a measuring element is attached to the test body, its changes in physical properties are followed in the course of the loads and the state of fatigue is determined in that the change of this physical property with values of the fatigue life of the measuring element, the obtained under known conditions is compared. In these known methods are embedded individual wires or plates, possibly provided with slots and notches, used, and generally only through the destruction of the measuring element as a result of the loading effects the state of fatigue is deduced.

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Ermitteln des kumulativen Ermüdungsschadens eines Bauteils, der wiederholten Belastungen ausgesetzt ist, zu schaffen, bei dem die fortschreitende Ermüdung laufend in Form einer elektrischen Größe eines Meßelements angebbar ist. Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung vor, daß ein Gitter aus leitfähigem Material an dem zu prüfenden Bauteil isoliert angebracht wird, die bleibende Änderung des elektrischen Widerstandes oder des Temperaturkoeffizienten des elektrischen Widerstandes des Gitters infolge der wiederholten Belastungseinwirkung gemessen wird und daß der Ermüdungsschaden des Bauteiles bestimmt wird, indem die Änderung des Widerstandes bzw. des Temperaturkoeffizienten des Widerstandes des Gitters mit Werten, die unter bekannten Bedingungen erhalten wurden, verglichen wird.In contrast, the invention is based on the object of a method for determining the cumulative To create fatigue damage to a component that is subjected to repeated stresses to which the progressive fatigue can be given continuously in the form of an electrical variable of a measuring element is. To solve this problem, the invention proposes that a grid made of conductive material is attached to the component to be tested in isolation, the permanent change in electrical resistance or the temperature coefficient of the electrical resistance of the grid due to the repeated Load effect is measured and that the fatigue damage of the component is determined, by changing the resistance or the temperature coefficient of the resistance of the grid is compared with values obtained under known conditions.

Zwar ist die Erzeugung einer bleibenden Widerstandsänderung in Metallen bei mechanischer Belastung, insbesondere auch von Dehnungsmeßstreifen, bekannt, jedoch wurde diese bekannte Erscheinung bisher nicht zum Ermitteln einer fortschreitenden Materialermüdung ausgenutzt.It is true that the generation of a permanent change in resistance in metals under mechanical stress, in particular also from strain gauges, known, but this well-known phenomenon not yet used to determine progressive material fatigue.

Wenn also das Gitter an dem Bauteil angebracht ist und zyklischen Belastungen ausgesetzt wird, unterliegt das Gitter einer endgültigen und dauernden Änderung des elektrischen Widerstandes oder des Temperaturkoeffizienten des Widerstandes. Diese Änderung des Widerstandes oder Temperaturkoeffizienten des Widerstandes steht in direkter Beziehung zur Zunahme der Ermüdung des Bauteils, so daß zu jeder Zeit eine Anzeige der Dauer der Ermüdung in dem Bauteil durch Messung des Widerstandes des Gitters erhalten werden kann. In der Zeichnung zeigtSo when the grid is attached to the component and subjected to cyclical loads, the grid is subject to a final and permanent change in electrical resistance or the temperature coefficient of resistance. This change in resistance or temperature coefficient the resistance is directly related to the increase in fatigue of the component, so that to at any time an indication of the duration of the fatigue in the component by measuring the resistance of the Lattice can be obtained. In the drawing shows

F i g. 1 eine schematische Aufsicht auf eine Ausführungsform einer Einrichtung zum Ermitteln der Ermüdungsdauer nach dem erfindungsgemäßen Verfahren undF i g. 1 is a schematic plan view of an embodiment of a device for determining the Fatigue time according to the method according to the invention and

F i g. 2 einen Querschnitt einer anderen Ausführungsform einer solchen Einrichtung.F i g. Figure 2 shows a cross section of another embodiment such a facility.

Da die dauernde Änderung des Widerstands- oder Temperaturkoeffizienten mit der Ermüdung des Gitters eine Funktion des Gittermaterials, der Gitterausbildung und -abmessungen, der Spannungen durch Wärmebehandlung oder Kaltbearbeitung und der Restspannungen in dem Gittermaterial ist, können Änderungen dieser Eigenschaften gewünschtenfallsSince the constant change in the resistance or temperature coefficient with the fatigue of the Lattice a function of the lattice material, the lattice design and dimensions, the stresses Heat treatment or cold working and the residual stresses in the mesh material can Changes to these properties if desired

ίο hervorgerufen werden, um die gewünschten Eigenschaften der Ermüdungsmeßeinrichtung zu erzeugen. Während das Gitter hier als Dehnungsmeßstreifen gezeigt ist, kann es auch aus leitfähigem Material in der Form eines Filmes oder Drahtes bestehen, z. B. aus einer Kupfer(55 °/o)-Nickel(45 °/o)- oder einer Nickel-Chrom-Legierung eventuell mit weiteren Zusätzen oder einem anderen Widerstandsmaterial, wie Aluminium, Stahl, rostfreier Stahl, Magnesium, Titan.
Bei der Ausführungsform nach F i g. 1 ist das Isoliermaterial nur an einer Seite des Leiters vorhanden. Bei der Ausführungsform nach F i g. 2 ist das Isoliermaterial an beiden Seiten des Leiters vorhanden. Die Verbindung kann durch eine der isolierenden Unterlagen erfolgen, die zu diesem Zweck eine Querbohrung aufweisen, die mit einem Schweißmaterial gefüllt ist, in welchem ein Meßleiter und ein Zuführungsleiter enden.ίο be caused in order to produce the desired properties of the fatigue measuring device. While the grid is shown here as a strain gauge, it can also be made of conductive material in the form of a film or wire, e.g. B. made of a copper (55%) -nickel (45%) - or a nickel-chromium alloy possibly with further additives or another resistance material such as aluminum, steel, stainless steel, magnesium, titanium.
In the embodiment according to FIG. 1, the insulation material is only available on one side of the conductor. In the embodiment according to FIG. 2 the insulating material is present on both sides of the conductor. The connection can be made through one of the insulating supports, which for this purpose have a transverse bore which is filled with a welding material in which a measuring conductor and a supply conductor end.

Untersuchungen sind mit Ermüdungsdauer-Meßeinrichtungen aus weichen Konstantan-Dehnungsmeßstreifen durchgeführt worden, die an der Unter- und Oberseite mit durch duroplastisches Phenolharz imprägniertem Glaspapier abgedeckt waren und deren Meßdraht aus Bandleitungen von etwa 0,635X1,525 X 0,01525 cm mit einem Nennwiderstand von 500 Ohm und einem Nenn-Meßfaktor (als Dehnungsmeßstreifen) von 2,06 bestand. Die geprüften Meßeinrichtungen hatten einen Ausgangs-Wärmekoeffizienten (Temperaturkoeffizient des Widerstandes, ausgedrückt als auftretende BeanspruchungInvestigations are carried out with fatigue measuring devices made from soft constantan strain gauges which on the bottom and top with impregnated by thermosetting phenolic resin Glass paper were covered and their measuring wire made of ribbon cables of about 0.635X1.525 X 0.01525 cm with a nominal resistance of 500 Ohm and a nominal measuring factor (as a strain gauge) of 2.06. The measuring devices tested had an initial heat coefficient (Temperature coefficient of resistance, expressed as the stress occurring

pro 5/9° C) von etwa 2,11 kg/cm² pro 5/9° C vor der Prüfung und wurden an 2024-T351-Aluminiumproben mit EPY150 Epoxy-Klebstoff unter einem Druck von 6,33 kg/cm² mit einer maximalen Trokkentemperatur von 79,5° C angebracht. Diese Proben wurden auf Zug-Zug-Ermündung bei maximalen Beanspruchungspegeln von 2812,3, 2460,8 und 2109,2 kg/cm² mit einem Verhältnis (R) zwischen minimaler und maximaler Spannung von + 0,02 und auf Zug-Druck-Ermüdung bei einem maximalen Zug von 2580 kg/cm² und einem minimalen Druck von 752,3 kg/cm² (R = 0,29) geprüft. Die Prüfungen wurden bei Raumtemperatur mit einer zyklischen Belastung mit konstanter Amplitude durchgeführt.per 5/9 ° C) of about 2.11 kg / cm ² per 5/9 ° C before the test and were applied to 2024-T351 aluminum samples with EPY150 epoxy adhesive under a pressure of 6.33 kg / cm ² a maximum dry temperature of 79.5 ° C. These samples were tested for tension-tension-estuary at maximum stress levels of 2812.3, 2460.8 and 2109.2 kg / cm ² with a ratio (R) between minimum and maximum tension of + 0.02 and for tension-compression Fatigue tested at a maximum pull of 2580 kg / cm ² and a minimum pressure of 752.3 kg / cm ² (R = 0.29). The tests were carried out at room temperature with cyclic loading with constant amplitude.

Die Versuche zeigten, daß die Neigungen der (nicht dargestellten) Kurven der Widerstandsänderung gegen den Logarithmus der Zahl der Schwingungen oberhalb von 10 000 Schwingungen konstant sind. Die Neigungen in Ohm pro Dekade der zugeführten Belastungsschwingungen, die von den Zug-Zug-Versuchen (R= +0,02) herrühren, sind proportional der Differenz zwischen dem maximalen zugeführten Belastungspegel und einem konstanten Wert (1757,7 kg/cm²). Die Ausgangswärmekoeffizienten der Meßeinrichtungen änderten sich während der Prüfung von etwa 2,11 kg/cm² pro 5/9° C bis etwa 7,04 kg/cm² pro 5/9° C.The tests showed that the slopes of the curves (not shown) of the change in resistance versus the logarithm of the number of oscillations are constant above 10,000 oscillations. The inclinations in ohms per decade of the applied load oscillations, which result from the pull-pull tests (R = +0.02), are proportional to the difference between the maximum applied load level and a constant value (1757.7 kg / cm ² ) . The output heat coefficients of the measuring devices changed during the test from about 2.11 kg / cm ² per 5/9 ° C to about 7.04 kg / cm ² per 5/9 ° C.

Wenn die (nicht dargestellten) Versuchskurven der Widerstandsänderung gegen den Logarithmus derIf the test curves (not shown) of the change in resistance against the logarithm of the

Zahl der Schwingungen zu den Zahlen der Schwingungen extrapoliert werden, die erforderlich sind, um 2024-Aluminium, wie dies durch die S-N-Kurven angegeben wird, zu zerstören, ergibt es sich, daß für ein Verhältnis von maximaler zu minimaler Spannung von +0,02 die Ermüdungsmeßeinrichtung den Widerstand um etwa 22 Ohm (mit einer Toleranz von weniger als 10%) geändert haben würde. Falls diese Beziehung für alle Spannungsverhältnisse zu halten wäre, sollte die Meßeinrichtung den Ermüdungsschaden unter beliebiger Belastung integrieren, falls angenommen wird, daß sich der Ermüdungsschaden (vor dem Zerstören) mit den Schwingungen in derselben Weise wie die Widerstandsänderung ändert.Number of vibrations extrapolated to the numbers of vibrations required around 2024 aluminum as shown by the S-N curves is specified to destroy, it turns out that for a ratio of maximum to minimum voltage of +0.02 the fatigue measuring device increases the resistance by about 22 ohms (with a tolerance less than 10%) would have changed. If this relationship applies to all tension relationships would hold, the measuring device should reduce the fatigue damage integrate under any load if it is assumed that the fatigue damage (before the destruction) with the vibrations in the same way as the change in resistance changes.

Es ist somit gezeigt worden, daß die Dauer der bleibenden Ermüdung in Aluminium durch das Ermüdungsdauer-Meßverfahren nach der Erfindung bestimmt werden kann, wenn ein Gitter aus einem Konstantan-Dehnungsmeßstreifen verwendet wird, wodurch ersichtlich wird, daß es nicht immer notwendig ist, ein Gitter aus demselben Material wie der zu prüfende Bauteil zu verwenden.It has thus been shown that the permanent fatigue duration in aluminum by the fatigue duration measuring method can be determined according to the invention if a grid of a constantan strain gauge is used, whereby it can be seen that it is not always necessary to have a grid of the same material as to use the component to be tested.

Die an Aluminium durchgeführten Prüfungen mit einem Kontantan-Dehnungsmeßstreifen zeigen klar, daß 1. die dauernde Widerstandsänderung, die von einer Ermüdungsbelastung bei einer konstanten Amplitude wechselnder Beanspruchung herrührt, eine Funktion der Anzahl der aufgebrachten Schwingungen ist, daß 2. diese Widerstandsänderung groß genug ist, um leicht gemessen zu werden, daß 3. die Geschwindigkeit der Änderung des Widerstands mit den Schwingungen eine Funktion des maximalen Beanspruchungspegels und des Verhältnisses von minimaler zu maximaler Beanspruchung ist und daß 4. die denselben Belastungen ausgesetzten Meßeinrichtungen ihren Widerstand um denselben Betrag innerhalb einer vertretbaren Toleranz (10 bis 15%) ändern.The tests carried out on aluminum with a constant strain gauge clearly show that 1. the permanent change in resistance caused by a fatigue load at a constant amplitude alternating stress, a function of the number of vibrations applied is that 2. this change in resistance is large enough to be easily measured that 3. the The rate at which the resistance changes with the oscillations is a function of the maximum stress level and the ratio of minimum to maximum stress and that 4. the measuring devices exposed to the same loads increase their resistance by the same amount within within an acceptable tolerance (10 to 15%).

Es ist somit gezeigt worden, daß das Verfahren an einer begrenzten Fläche des zu prüfenden Bauteils durchführbar ist. Die Empfindlichkeit der Meßeinrichtung wird nicht durch unwesentliche Eigenschaften des Bauteils beeinflußt, z. B. Unstetigkeiten an der Fläche, die dem Anlagepunkt gegenüberliegt. Die Meßeinrichtung kann in verschiedenen Formen und Abmessungen ausgeführt werden, um bestimmte Forderungen zu erfüllen. Das Meßverfahren ist zerstörungsfrei. Der Ausgangswert kann so gewählt werden, daß die Meßeinrichtung durch eine beliebige Belastung in demselben Ausmaß wie der Bauteil beeinflußt wird, wodurch das Erfordernis beseitigt wird, eine theoretische Beziehung zwischen den Wirkungen einer zufälligen Belastung gegenüber einer Belastung mit konstantem Pegel zu kennen. Die Meßeinrichtung kann an einem Beanspruchungsvervielfacher oder an dem Grundbauteil an einer Stelle angesetzt werden, die von der Stelle verschieden ist, an der die Messungen des Ermüdungsschadens durchgeführt werden sollen, wobei der Ermüdungsschaden an dem gewünschten Ort aus Messungen bestimmt werden kann, falls die Tranformationsbeziehung der Beanspruchungen vom Ort der Ermüdungsmessung zu dem gewünschten Ort bekannt ist.It has thus been shown that the method can be applied to a limited area of the component to be tested is feasible. The sensitivity of the measuring device is not due to insignificant properties of the component influenced, z. B. Discontinuities on the surface opposite the contact point. The measuring device can be carried out in various shapes and dimensions to specific To meet demands. The measuring process is non-destructive. The output value can be chosen in this way be that the measuring device is influenced by any load to the same extent as the component becomes, eliminating the requirement, a theoretical relationship between the effects to know a random load versus a constant level load. the Measuring device can be on a stress multiplier or on the basic component at one point different from where the fatigue damage measurements were taken should be determined, the fatigue damage at the desired location from measurements can be if the transformation relation of the stresses from the location of the fatigue measurement is known to the desired location.

Claims

Patent claims:

1. Procedure for determining the cumulative fatigue damage of a component that has repeated Is exposed to loads, characterized in that a grid made of conductive Material is attached to the component to be tested in isolation, the permanent change the electrical resistance or the temperature coefficient of the electrical resistance of the lattice is measured as a result of the repeated loading and that the fatigue damage of the component is determined by changing the resistance or the temperature coefficient the resistance of the grid is compared with values obtained under known conditions.

"2. The method according to claim 1, characterized in that that the change in the resistance or the temperature coefficient of the resistance of the grid with values of the fatigue life of the grid material, which are known under Conditions are obtained is compared.

3. The method according to claim 1, characterized in that the speed of change the resistivity of the grid is changed by attaching the grid to the component is attached under a known bias.

4. The method according to claim 1, characterized in that the speed of change The resistivity of the grid is changed by attaching the grid to an expansion transformer is attached and the expansion transformer is attached to the component.

5. The method according to claim 1, characterized in that the speed of change of the temperature coefficient of resistance of the grid is changed by changing the Grid is attached to the component under a known bias.

6. The method according to claim 1, characterized in that the speed of change of the temperature coefficient of resistance of the grid is changed by changing the Grid is attached to an expansion transformer and the expansion transformer is attached is attached to the component.

1 sheet of drawings