DE1945356A1 - Verfahren und Vorrichtung zur UEbertragung von Schwingungen auf einen beidseitig frei aufliegenden Stab - Google Patents

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Übertragung von Schwingungen auf einen beidseitig frei aufliegenden Stab

Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Aufprägung einer auf Biegung gerichteten Materialermüdungsbelastung auf einen Stab, insbesondere eine elektrodynamische Schwingungsübertragungsvorrichtung zur genauen Aufprägung von auf Biegung gerichteten Material ermüdungsbelastungen in faserverstärkten zusammengesetzten Stoffen.

Es ist bekannt, daß die meisten homogenen Stoffe in Form von einseitig oder rotierend gelagerten Proben in Form von Stäben auf Ermüdung geprüft werden können, wobei durch geeignete Auebildung Belastungen im Verweilbereich angemessen niedrig gehalten und Brüche in einem kontrollierten Bereich frei von Verweileffekten zum Auftreten gebracht werden können. Faserverstärkte zusammengesetzte Stoffe sind jedoch nicht zur Prüfung nach diesen bekannten Verfahren geeignet. Proben mit einachsiger Faserorientierung zeigen das Bestreben, im Verwoilbereich wegen der charakteristisch niedrigen Druckfestigkeit des Matrix-Materials zu versagen. Daher waren bisher zufriedenstellende Meßwerte hinsichtlich der auf Biegung gerichteten Materialermüdungebelaetung

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bei zusammengesetzten Stoffen nicht zu erhalten. ·

Abgesehen von der Unmöglichkeit, die besonderen Probleme bei der Prüfung faserverstärkter zusammengesetzter Stoffe zu beherrschen, liegen bei üblichen Geräten andere Nachteile vor, welche die Wirksamkeit bei der folgerichtigen Prüfung von Stoffen mindern, und zwar unbeschadet von deren Ausbildung. Bekannte elektrodynamische Schwingungserzeuger verwenden eine Treiberspule in Zuordnung zu einer Probenbalterungs-Tischanordnung und sind in einem Luftspalt hoher Plußdiohte wirksam. Die Schwingungsübertragungavorrichtung bekannter Art 1st nicht nur verhältnismäßig kompliziert aufgebaut» sondern auch zusammen mit der Probe den nachträglichen Einwirkungen der Schwingungebewegung über ausgedehnte Zeitperloden ausgesetzt« Wegen der praktischen Notwendigkeit für eine Vorrichtung, die Schwingungskräfte über ein breites Frequenzspektrum zu erzeugen vermag, ergibt sich bei bekannten Vorrichtungen das wesentliche und unwirtschaftliche Erfordernis, da8 die Anordnung beweglicher Elemente innerhalb des Betriebsfrequenzberelches sowohl stabil als auch im wesentlichen resonanzfrei sein soll.

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Prüfung von eineS*ruktur aufweisenden Stoffen hinsichtlich der auf Biegung gerichteten Materialermüdung sowie ferner eine Vorrichtung und ein Gerät zur Erzeugung von Schwingungen in einer Probe, ohne darin auch einen Bereich von künstlicher oder unnatürlicher Belastung zu erzeugen, wie dies bei bekannten positiv greifenden Vorrichtungen geschieht. / Es wird die Verwendung eines elektrodynamischen Schwlngungserzeugers, beispielsweise als elektromagnetischer Schwingungserzeuger, in Verbindung mit einer solchen Auflagerung angestrebt, daß in einer Probe bei einem beidseitig frei aufliegenden Stab eine Eigenschwingung erzeugt wird.

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GeaäB einem Merkmal der Erfindung wird ein Verfahren zur elektrodynamischen Sohwingungserregung eines Stabes unter Auebiegung geschaffen. Dieses Verfahren ist gekennzeichnet durch einfaches Auflegen des Stabes auf ein Paar von Bücken, welche eich In Ausrichtung mit den Knotenpunkten des Stabes befinden, so daß der Stab beidseitig frei aufliegend gehalten wird und dem Stab bestirnte echwingungamäßige Belastungepegel aufgeprägt werden.

ferner wird geaäS der Erfindung ein elektrodynamischer Schwingungserzeuger geschaffen, der ein Paar von Bücken enthält, die gegen den Stab passiv anliegen und eine Auflagerung an den Knotenpunkten des Stabes ergeben, so daS dieser beidseitig frei aufliegend gehalten wird, wob·! ferner Schwingungserreger neben den Bücken vorgesehen sind, um dl· elektrische Energie In Sohwingungakräfte umsuwmndeln, dl· auf den Stab an anderen Punkten als den Knotenpunkten wirksam sind, so daß die Böcke von den Sohwlngungskr&ften isoliert sind.

Dl« Erfindung ist nachstehend an Hand der Zeichnung näher erläutert, welche ein Aueführungebeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zeigt.

Ein Schwingungserzeuger 10 für einen beidseitig frei aufliegenden Stab ist in besonderer Weise so ausgebildet, da· eine Biege-Ermüdungsbelastung auf eine stabförmige Probe 12 aus susammengesetzten Material ausgeübt wird. Der Schwingungserzeuger weist eine Grundplatte H auf, en welcher ein Paar von In Phase befindlicher Elektromagneten 16,18 angebracht ist. Die Elektromagnete sind vorzugsweise mit lameliierten luftgekühlten Kernen versehen und elektrisch mit einem Osslllatox 20 über einen Verstärker 22 verbunden. An den Schultern der Elektromagnete 1st gleitend eine flache Führungsplatte 24 mit

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einmn zentralen Lsngsscäilltz 26 gelagert. Die Kerne 27 der £L@ktromagaete rage« nach oben duroh den Schiit* 26. Bar SoM,its 26 ermöglicht nicht nur eine Justierung der Ela&teöKSgnete 16,18 gegeneinander hin oder voneinander weg« ees&em hält aasfa gleitend ein Paar von Lagerböcken 28,3O₉ C'J.f denen die Probe ruht. Die Böcke 28,30 sind in Vertikairiehtsing Justierbar» beispielsweise duroh eine Justierschraube 31, so daß der Abstand swlschen der Probe 12 und der S3.«ktro»agnetwioklung im Sinne einer optimalen Sohwimgungsbeaufechlagung variiert werden kann. Uin eine Störung gegenüber der Schwingung der Probe su vermeiden, sind die lücke la Sinne einer llnlenförmigen Berührung anstatt eimer fl&ohenhaften Berührung alt dem Stab ausgebildet. Dies wird erreicht, indem ein gespannter Draht oder ein öuamiseil 33 in dem jochartigen Teil der Bücke vorgesehen wird«

Der vorangehend verwendete Ausdruck "Probe" besieht sich lediglich auf das su prüfende Material, bezüglich dessen, die Materialermüdungsbelastung hinsichtlich Biegung gebucht wird. Der Ausdruck "Stab" besieht »loh andererseits auf die vollständige Struktur, sei es daß diese aus einer Anordnung von Bestandteilen einschließlich Probe oder aus eines einheitlichen Längenabaohnltt des Probenaaterlals allein besteht, welches direkt oder Indirekt duroh die Lagerbock· aufgelagert «nd einer Schwingungsbewegung unterworfen wird. Der in der Zeichnung veranschaulichte Stab uafaßt ein Paar von Stahlverlängerungestangen, die an das Ende der Probe 12 mittels Fiberglas-glemmstreifen 34 angeklemmt sind. Die Verlängerungsstangen 32 sind selbstverständlich nicht erforderlich, wenn die Probe genügend lang ist, erweisen sich jedoch als sehr, vorteilhaft, da sie die Verwendung kürzerer Proben ohne eine daraus folgende Abnahme der erziel baren Amplitude ermöglichen. An dem äußeren Ende jeder Yerlängerangsstange 1st abnehmbar ein Kopf gewicht 36 befestigt, welches in einer

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Richtung quer au dar AciLee der Probenanordnung Justierbar ist· Es ergab eich, daB In den meisten Fällen der Fasergehalt einee in einer Richtung orientierten verstärkten zusammengesetzten Materials entweder leicht fehlausgerichtet ist, so daß alle Pasern parallel zueinander, jedoch nicht parallel zu der Längsachse der Probe verlaufen, oder die Pasern nicht in gleichförmiger Weis® belastet sind, so sie nicht parallel zueinander verlaufen, oder daß schließlich beide dieser Fälle gleichzeitig auftreten. In jedem Fall liegt eine charakteristische Toraionebiegung anstelle einer reinen Biegeschwingung vor, wenn die Schwingungen induslert und die äußere Antriebskraft aufrecht erhalten werden*

Durch Verwendung der justierbaren Kopfgöttfiehte 36 wird die Torsionaerregung leicht aufgehoben. Die Gewichte sind vorzugsweise aus Metall, gefertigt und sollten hinsichtlich ihrer Abmessungen begrenzt sein, so daß sie nicht die Eigen resonanz des Stabes merklich erniedrigenι vielmehr müssen die Gewichte so bemessen sein, daS sie schwer genug sind, um die Torsionswirkung su kompensieren. Die Anbringung der Gewichte an den äußersten Enden der Yerlängerusigaetaiigen 1st auch insofern vorteilhaft, als dadurch das Biegemoment auf die Probe vergrößert wird.

Sin weiteres Merkmal, das vorgesehen ist, wenn die Probe aus nichtmagaetleohem Material besteht ^ia^ ^äiö zusätzliche Anbringung von magnetisoh©» Polstück©«. 58« Die Baletüöke sind durch Siebung an der Unterseite des Stabes as Stellen neben dessen Knotenpunkten befestigt.

Im Betrieb wird eine aus «usamaengeeöi;ztem Mates?!®,! fe@« stehende Probe sur Prüfung der Materialermüdung vorbereitet, indem sie zwischen den Yerläng©rungsst©öge& 52 angebracht wird. Allgemein wird eine statische liehiisg des Stabes durchgeführt, Indem der Stab über einem Psas?

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von Auflagerungen zentriert, eine bestimmte Kraft auf den Mittelpunkt ämw Probe ausgeübt und die Auelenkung aufgezeichnet werden» Hach des» atatischen Eichung wird eine dynamische Eichung der Probe durchgeführt. Allgemein er-r fordert di@@e Eichung die Anbringung eines Belaatungsmessere an dem genasen Mittelpunkt der Probe» so daß bei Einstellung der Anordnung mit deren Knotenpunkten auf den Lagerböcken 8owie Erregung der Elektromagnete in bestimmtem Ausmaß die sich ergebende Auslenkung an dem Hittelpunkt der Prob« gegenüber der Ausgangsgröße des Belastungsmessers geeicht wird· Ba die Belastung proportional der Amplitude ist, wird die geeichte Auslenkung zur Überwachung aller folgenden Belaatungegröflen verwendet. Dies vermeidet die Beschwerlichkeit der Verwendung eines Belastungsmessers mit dessen begrenzter Erssudmngsetandzeit als Verfahren sur Belastungspegelübexwachung®.

α®τ PrSfmag dar Materialermüdung können verschiedene

Arb®itsv@rfsüte@n angewendet werden. Eia bevorzugtes Arbeite-T©n?fahr®a zut Erzielung einer kaiaulÄtivsiä Zerstörung bei der AmfpräguTäg ©ines? auf Biegung gerichtet·® Mmt©ri*lermüdungsbe-Isstung b®st©&t iia ä®r Bewirlmng aiaas fortlaufenden Zyklus Belastmögsfsrlatiön durch f®lga^iig höhere Pegel der

äfiitMd®=, Jeäer P@gel wird über eise bestimmte lauf ©β gelessen, beispielsweise über 10 Hill ionen ¥©na ®ia Br?ich auftritt, s©lgt €ie Probe eine ¥er- mind®Tung ü®t Steifigkeit wad @im©a beöbashttoren Abfall äer Ε®3@Β©ΒΕ&©%Μ©ηΒ_β Wenn keia® tea©i?k®nsw«rt® Verschiebung der Reeonaaafeet'⁰®¹¹³ anseigbar ist₉ 'wird di© Ermüdung bestimmt, indem di<3 Anordnung ©iner zweites etatisohen Prüfung unterworfen wird. Eine Zunahm© de:.r statischen Auslenkung kann als ^TrMatrixbr@eli®B^w oder als Esarrißbildimg amsgelegt werden_E was durch mkroskopischa Prüfung nicht txntarseMe&cm werden ι kann. '

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Bel einer Untersuchung wurde ein Thornel-Spoxyeystea geprüft. Si« Probe war in einer Richtung mit einem Yolumenanteil an Kohlenstoff-Paeera von 50# verstärkt, wies eine Dloke το» 16 Lagen auf, und hatte Abmessungen von 20 cm L&nge sowie 19 ob Breite an den Enden, die aich ei» Mittelpunkt auf 9»52 os verminderte. Sie Prob« wurde über 10 Millionen Zyklen bei aufeinanderfolgenden Belastungen Ton 5520 kg/am und 4220 kg/cm gefahren, ohne daS ein Bruoh auftrat. Bei eine« dritten Belastungspegel von 4920 kg/cm trat ein Bruoh nach etwa 4 Millionen Zyklen auf.

Kai fthnliehe Prüfung erbraohte brauchbare Daten in Bezug auf Bor/AlluainiuM-ZuaaBeenaetsungen» Bamlt können genaue Beten hineiohtlioh der auf Biegung gerichteten Materlalersudungsbelastung für jede sueajesengeeetste Probe erhalten werden, unbesohadet von deren Au»bildung. Die jRrfindung schafft ein Anregungeevetea, welches sine sinusfOrttlge arundsohwingung in einer Probe als Teil •Ins· beidseitig frei «afliegenden Stabea indusiert. Bee Stab weist nicht bot seine freien Enden auf, sondern ist auoh frei rom irgendwelchen positiven Beschränkungen. Bis Torriohtuag erfüllt eine surüokhaltende Punktion, lndeai eine paseive Auflagerung an den Knotenpunkten dee Stabes gesohaffen wird. Ferner 1st der einsige bewegliche feil in der Torrichtuag der Stab. Bas SohwlngungserEeugungegerÄt 1st Bit Auanahae der magnetlachen Polstüoke, falle dless verwendet werden, vollständig ortsfest, und die Stabilität der Torrlohtung wird auf diese Weise gesteigert, während die Möglichkeit einer fehlfunktlon oder Beschädigung wtthrend des Betriebes wesentlich vermindert wird.

Bis Erfindung kann in gewisser Weise abgewandelt werden. Beispielsweise kann die geeohlltste Platte 24 weggelassen werden, wexm die LagerbOoke unmittelbar auf der Grundplatte aufgelagert werden. So lange sie vertikal und seitlich justierbar sind, ma die Probe an ihren Knotenpunkten aufsttlagem und den Probenabetand su den Elektromagneten zu

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optimieren, bleiben die grundsätzlichen Torteile des Betriebes erhalten. Die Vorrichtung kann in ein selbsterregendes System durch Anwendung von elektronischen Rückkopplungsverfahren verwandelt werden.

Durch den Erfindungsgedanken können auf Biegung ge» richtete Katerialernüdungebelastungen leicht und genau ermittelt werden.

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Claims (1)

1. Patentanwalt _

   Ür. Helmut Späth 1 9 4 5 3 5 G

   8200 Rosenheim/Obb. «- 9 -

   Max-Josefs-Platz 6

   Deutschland

   United Aircraft. Corporation 59 P 2

   400 Hain Street 6, Sept. 1969

   East Hartford 06108

   Connecticut, U.S.A.

   Patentansprüche

   (jkJVerfahren zur elektrodynamischen Sohwingungsbeaufßchlagung eines Stabes is Sinne einer Biegung, gekenn·» zeichnet durch passive Auflagerung des Stabes (12, 32) auf einen Paar von Lagerböoken (28,3<λ, welche eich in Ausrichtung mit den Knotenpunkten des Stabes befinden, so daS der Stab ale beidseitig frei aufliegender Stab gehalten ist, und Übertragung gewählter Schwlngungsbelastungspegel auf den Stab.

   2· Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dad die Sehwlngungsbelastungspegel elektromagnetisch induslert werden·

   3. Verfahren nach einein der Ansprüche 1-2, gekennzeichnet durch Kompensation einer Toreionsbiegung in dem Stab (12,30*

   4. Elektrodynamische Sohwingungsübertragungsvorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach eines der Ansprüche 1 - 3» gekennzeichnet durch ein Paar von Lagerböeken C28,32) in passiver Anlage sur Aufrecht©riialtung alner Auflagerung an den Knotenpunkten des Stabes (12,32), so daß dieser beidseitig frei aufliegend schwingend gehalten ist, und ein Schwing^zngeerregeTeleiaentiElektromagnet e 16,1θ)neben den Lagerbocken zur Umwandlung von elektrischer Energie in Sohwingüngskräfte, welche

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   auf den Stab an anderen Punkten ale den Knotenpunkten wirksam sind, wobei die Lagerböoke gegenüber Schwin« gungskräften isoliert sind.

   5· Anordnung nach Anspruch 4-, dadurch gekennzeichnet, daß die Lagerböcke (28,32) und das Sohwlngungserregerelement (Elektromagnete 16,18) gegenseitig sowie gegenüber dem Stab (12,32) justierbar sind.

   6. Anordnung nach einem der Ansprüche 4,5, dadurch ge— kennseichnet, dafi das Schwingungserregerelement ein Paar τοη Elektromagneten (16,18) umfaßt.

   7« Anordnung nach einem der Ansprüche 4-6, dadurch gekennzeichnet, daß an entgegengesetaten Enden des Stabes (12,32) Gewichte (36) vorgesehen sind, welche justierbar sind, um eine torsionsbiegung in dem Stab eu kompensieren.

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