DE19635968A1 - Anordnung und Verfahren zur automatischen Ermittlung von Rißwiderstandskurven - Google Patents
Anordnung und Verfahren zur automatischen Ermittlung von RißwiderstandskurvenInfo
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Description
Die Erfindung bezeichnet eine Anordnung und ein Verfahren zur automatischen Ermitt
lung von Rißwiderstandskurven und anderen mechanischen Materialkennwerten zur
Werkstoffoptimierung und Qualitätskontrolle. Im allgemeinen ist die Werkstoffentwick
lung durch die stetige Verbesserung von Materialeigenschaften geprägt, wie beispiels
weise die Bereitstellung hinreichend zäher Werkstoffe bei ansonsten ähnlich guten Eigen
schaften. Die übliche Vorgehensweise der Werkstoffoptimierung besteht in der Modifi
zierung bereits vorhandener Werkstoffe über Versuchspläne, die eine Vielzahl von Frei
heitsgraden aufweisen. Die Zahl der untersuchten Freiheitsgrade wird durch die progres
siv wachsende Anzahl der dafür benötigten Probensysteme praktisch begrenzt, wobei der
notwendige Prüfaufwand wesentlich diese Grenze bestimmt. Über den qualitativen Ver
gleich der nach verschiedenen Methoden ermittelten Kennwerte ist eine Werkstoffopti
mierung möglich. Die Werkstoffoptimierung stellt neben der konstruktiv bruchsicheren
Auslegung von Bauteilen ein zweites Haupteinsatzgebiet der Bruchmechanik als inge
nieurtechnische Disziplin dar. Dabei zeigt sich, daß Zähigkeitskennwerte zur Charakteri
sierung des stabilen Rißwachstums als sensible Kennwerte zur Optimierung bei der
Werkstoffentwicklung dienen. Zu ihrer Ermittlung werden Rißwiderstandskurven benö
tigt, da zur Zähigkeitscharakterisierung von zähen Werkstoffen die Angabe eines einzel
nen kritischen Wertes nicht ausreichend ist. Das Verhalten des Prüfkörpers hinsichtlich
des Widerstandes gegenüber stabiler Rißeinleitung und -ausbreitung läßt
sich über eine Rißwiderstandskurve vollständig beschreiben.
Der Stand der Technik auf dem Gebiet der mechanischen Materialprüfung wird durch
eine Vielzahl von Lösungen dokumentiert. Die modernen Universalprüfmaschinen zur
Materialprüfung verlügen über geeignete Sensoren zur Ermittlung von Kraft und Weg,
welche über Schnittstellen einem Rechnersystem zur Verfügung gestellt werden. Durch
eine zumeist rechnergestützte Programmierung und Regelung des Prüfvorgangs, sind
einfache, zumeist in Normen festgeschriebene, Verfahren der Werkstoffprüfung, weitge
hend automatisiert. Des weiteren sind Speziallösungen bekannt, bzw. aus der Druck
schrift EP 0429677 oder der Druckschrift: "Kunststoffe stoßartig belastet" in Material
prüfung 38 (1996) 6, S. 260-263, welche zumeist spezielle Beanspruchungsbedingungen
realisieren, die Kraft F sowie den Weg y rechnergestützt registrieren und aus diesen
Meßwerten verschiedene Werkstoffkennwerte berechnen, jedoch keine Rißlänge a und
darauf basierende weitere Werkstoffkennwerte.
Speziell zur experimentellen Ermittlung von Rißwiderstandskurven gibt es verschiedene
Verfahren, welche bsw. in der Druckschrift: "Rißwiderstandskurven und Rißeinleitungs
zähigkeit" in Materialprüfung 36 (1994) S. 1-2 aufgezeigt werden. Zuerst standardisiert
wurde ein Verfahren zur Bestimmung eines kritischen J-Wertes kurz vor der Initiie
rung eines zähen Bruches (ASTM 813-81). Die Ermittlung einer J-R-Kurve als Zielgröße
einer Normvorschrift wurde erstmals in ASTM 1152-87 standardisiert. Dazu wird ein
Singel Ended Notched Bending (SENB)- oder Compact Tension (CT)-Prüfkörper quasi
statisch weggesteuert beansprucht und die momentane Rißlänge a ermittelt. Die Rißlänge
a wird zumeist durch optisches Ausmessen der gebrochenen Prüfkörper unter einer Ver
größerungsoptik bestimmt über die Definition des Rißfeldparameters J als nichtlineare
Energiefreisetzungsrate kann der J-Wert aus den Werten der Kraft F und des Weges y
ermittelt und über der Rißverlängerung Δa aufgetragen werden, so daß eine J-R-Kurve
entsteht. Je Prüfkörper wird in Mehrprobentechnik ein Punkt der J-R-Kurve erzeugt, der
zusätzlich als statistisch zufälliges Ereignis betrachtet werden muß. Für eine statistisch
abgesicherte J-R-Kurve ist demnach eine hohe Prüfkörperzahl erforderlich. Wird jeweils
ein und derselbe Prüfkörper mehreren steigenden Beanspruchungen ausgesetzt, ist über
diese "Hintereinanderausführung" eine Einprobentechnik möglich, wodurch sich die be
nötigte Prüfkörperzahl reduziert, nicht jedoch der meßtechnische Aufwand. Für eine der
artige Ermittlung von Rißwiderstandskurven ist die derzeitige Standardausstattung der
verwendeten Prüfmaschinen, bsw. von Universalprüfmaschinen oder modernen instru
mentierten Pendelschlagwerke, ausreichend.
Optional erfolgt bei quasi-
statischer und periodischer Beanspruchung die Bestimmung der aktuellen Rißlänge a,
zumeist mittels eines separaten Meßmikroskopes oder mittels Spezialsensoren
nahe der Rißspitze, bsw. mit Ansatzdehnungsaufnehmern oder Laser, zur Bestimmung
des Crack Opening Displacement (COD)-Wertes und dessen Umrechnung zur Rißlänge.
Verbunden mit moderner Spezialsoftware, bsw. aus Druckschrift: "Anwendersoftware
für Ermüdungs- und Bruchmechanikuntersuchungen" in Materialprüfung 36 (1994) S.
7-8, ist eine weitgehend automatische Bestimmung von Rißwiderstandskurven möglich.
Im Fall periodischer Beanspruchung oder bei Spezialverfahren mit Teilentlastungen ist,
basierend auf den Meßwerten während der N einzelnen Entlastungs- und Belastungsvor
gänge, auch eine Berechnung des Rißfortschritts da/dN möglich.
Eine dynamische Beanspruchung liegt dann vor, wenn sich die Beanspruchung, meistens
die Deformation, schnell zeitlich ändert. In der experimentellen Prüftechnik wird diese
Beanspruchungsart über Pendelschlagwerke bzw. über Fallwerke realisiert. Nachteilig bei
derartigen Beanspruchungen ist die mit dem Kraftstoß verbundene Impulsübertragung
der Schlagmasse auf den Prüfkörper, welche, abhängig von der Prüfkörpermasse und
-geometrie sowie den Randbedingungen der Prüfkörperlagerung, zu ausgeprägten
Schwingungsüberlagerungen der Deformation führt. Neben der Schlaggeschwindigkeit
und Masse hat auch die Prüfkörperform, -masse und -lagerung einen erheblichen Einfluß
auf das Schwingungsverhalten. Zusätzlich zu den Schwingungen des Prüfkörpers treten
bei dynamischer Beanspruchung Eigenschwingungen der anderen Bauteile der Prüfma
schine auf, die sich bei ungünstiger Anordnung des Kraftsensors ebenfalls dem Kraftsig
nal überlagern. Aus diesem Grund werden verschiedene Modifikationen der Stoßbean
spruchung verwendet, wie eine inverse Pendelanordnung mit festem Prüfkörper und fe
ster Finne bei beweglichem Widerlager oder die Verwendung hochsensibler Schlagfinnen
aus speziellen Materialien. Des weiteren werden auch Versuche mit hohen Beschleuni
gungen durchgeführt, wie sie auf speziellen servohydraulischen Prüfmaschinen und
Schnellzereißmaschinen realisiert werden können, wodurch im Idealfall keine überlager
ten Störschwingungen auftreten.
Die Ermittlung dynamischer Rißwiderstandskurven basiert zumeist auf Probenanordnun
gen nach IZOD oder CHARPY mit entsprechender Instrumentierung zur Aufnahme des
Kraftsignals im Pendelschlagwerk oder Fallwerk. Für dynamische Beanspruchung modi
fizierte Mehrprobentechniken gestatten trotz stoßartiger Beanspruchung mit der Schlag
masse die Erzeugung einer endlichen Rißverlängerung. Dazu wird bei der "Stopp-Block-Methode"
die Durchbiegung des Prüfkörpers begrenzt, indem die Schlagmasse nach ei
nem definierten Weg am Stopp-Block abgefangen wird. Die aufgenommene Energie des
Prüfkörpers zu diesem Zeitpunkt wird ermittelt. Bei der "Low Blow", Technik hingegen
ist die Schlagenergie durch Geschwindigkeitsveränderung derart gering bemessen, daß es
nur zu endlichen Rißverlängerungen kommen kann. Die Schlagmasse wird also von dem
Prüfkörper abgefangen. Bei der "Energiemethode" wird bei konstanter Schlaggeschwin
digkeit die Schlagmasse variiert. In jedem Fall kann die Gesamtenergieaufnahme des
Prüfkörpers meßtechnisch ermittelt werden. Die weiteren Schritte entsprechen der
Mehrprobentechnik bei quasistatischer Beanspruchung, insbesondere sind die stabilen
Rißverlängerungen optisch auf den Bruchflächen auszumessen. Des weiteren lassen sich
definierte Veränderungen des stabilen Rißwachstums durch die "Stützweitenmethode"
und die "Probenlängenmethode" erzielen. Bei all diesen Methoden ist durch ein
"Hintereinanderausführen" mit jeweils steigender Beanspruchung ebenfalls die Einpro
bentechnik möglich, welche jedoch ebensoviele Prüfabläufe erfordert wie die Mehrpro
bentechnik. Abhängig vom verwendeten Auswerteverfahren werden aus den
ermittelten Meßwerten die gültigen Kurven-Punkte selektiert, welche besondere Bedin
gungen einhalten müssen, und zur Konstruktion der J-R-Kurve herangezogen.
Bei Einprobentechniken für dynamische Beanspruchung, die mit einem Prüfablauf arbei
ten, verschärft sich das generelle Problem der zuverlässigen Ermittlung der momentanen
Rißlänge. Verschiedene Verfahren versuchen über die simultane Erfassung geeigneter
andere Größen auf die Rißlänge zu schließen. So besteht die Möglichkeit der Erfassung
der Widerstandsänderung des Ligaments über DC-Potentialmethoden. Bei nichtleitfähi
gen Materialien kann über geeignete Dünnfilme das Rißwachstum am Prüfkörperrand
verfolgt werden. Eine andere Möglichkeit besteht in der Erfassung des "Crack Opening
Displacement" (COD) über eine spezielle Laserabtastung der Rißflankenöffnung oder
mittels einem sich über die Rißflanken erstreckenden Dehnmeßstreifen. Mit Hilfe des
derart ermittelten COD läßt sich auf die Rißlänge schließen. Insbesondere für hochdyna
mische Anwendungen eignet sich für eine Rißlängenbestimmung die Hochgeschwindig
keitsaufnahme von Kaustiks, welche durch die Querkontraktion an der Rißfront entste
hen.
Einen grundsätzlich anderen Weg beschreiten Verfahren, die bei Biegebeanspruchung
direkt aus der Kraft-Durchbiegungs-Kurve eines gekerbten Prüfkörpers auf die Rißlänge
schließen. Diesen Verfahren liegt der Gedanke zugrunde, daß sich durch das Rißwachs
tum das Prüfkörperverhalten, insbesondere dessen Nachgiebigkeit, signifikant ändert,
jedoch das Materialverhalten nicht. Die Information über die Prüfkörpersteifigkeit ist
mittelbar im Kraft-Durchbiegungs-Diagramm vorhanden, der Riß ist nur "Mittel zum
Zweck". Durch spezielle Prüfprogramme für quasistatische Beanspruchung kann die
Steuerung der Prüfkörperbeanspruchung derart erfolgen, daß die Prüfkörpersteifigkeit
einfach ermittelt werden kann. Bekanntestes Beispiel dafür ist die "Compliance-Methode".
Berechnet man mit bruchmechanischen Methoden aus der Steifigkeit die
Rißlänge, ergibt sich umgekehrt über die Rückrechnung aus der Rißlänge identisch die
Steifigkeit, die den Bruch beschreibt. Die Ermittlung des Rißinitiierungspunktes ist
meßtechnisch direkt über einen Dehnungsmeßstreifen möglich, welcher unmittelbar ne
ben dem Ausgangskerb aufgeklebt ist und die Entlastung des Dehnungsfeldes bei Rißini
tiierung registriert. Mittels einer "Modifizierten Hysteresemessung" ist ohne direkte Riß
längenermittlung und automatisierbar die Kennwertermittlung von Rißinitiierungskenn
werten möglich. Eine vollständige Berechnung der J-R-Kurve ist jedoch nicht möglich.
Ebenso sind diese Verfahren nicht für dynamische Beanspruchungen anwendbar.
Verschiedene Verfahren mit indirekter Rißlängenbestimmung wie die "Key-Curve-Method"
gestatten eine näherungsweisen Ermittlung von J-R-Kurven. Diese approxima
tiven Methoden benutzt analytische Gleichungen zur Beschreibung der Compliance des
ungekerbten und des gekerbten Prüfkörpers. Auf Grundlage der aufgenommenen Kraft-
Durchbiegungs-Kurve in Kombination mit der Berechnung der Complianceänderungs
rate kann der Rißinitiierungspunkt ermittelt und die Rißlänge berechnet werden. Eine
Weiterentwicklung dieses Ansatzes stellen die Verfahren des "Load Separation" und der
"Normalization Method" dar. Sie basieren auf der Annahme, daß das Kraftsignal in zwei
Funktionen separiert werden kann, eine Riß-Geometrie-Funktion und eine Material-
Deformations-Funktion, die ihre analytische Form weitgehend beibehalten. Dazu wird ein
Prüfkörper mit scharfen Riß und einer mit stumpfen Riß bei sonst gleicher Geometrie
benötigt. Mit diesem Ansatz gelingt ebenfalls die Ermittlung der Rißlänge aus der Kraft-
Durchbiegungs-Kurve und damit die Ermittlung einer J-R-Kurve. Diese Verfahren wer
den bereits mit Erfolg zur Charakterisierung von Werkstoffen angewendet, wobei expli
zit auf die damit verbundene Vereinfachung der R-Kurven-Ermittlung hingewiesen wird.
Allerdings stellt die Endrißlänge am Ende der Beanspruchung eine der notwendigen
Eingangsgrößen dar, wodurch eine Automatisierung wesentlich erschwert wird.
Nachteilig ist allen Lösungen des Standes der Technik, daß sie zwar auf der Grundlage
"theoretischer Lösungen" moderner bruchmechanischer Konzepte eine Bestimmung der
zur Beschreibung des Bruchverhaltens benötigten Zähigkeitskennwerte ermöglichen,
jedoch die Mehrzahl der verwendeten Methoden zur Ermittlung von Rißwiderstandskur
ven nicht sehr rationell sind. Abhängig von dem verwendeten Verfahren ist die einzelnen
Lösung entweder auf Grund des erforderlichen Prüfkörperumfangs, der dazu notwendi
gen Spezialausrüstung oder des Prüfaufwandes nicht hinreichend rationell. Das liegt im
allgemeinen in dem zur Bestimmung der exakten Rißlänge verwendeten Methoden. Diese
Aussage gilt speziell für bereits standardisierte Verfahren und kommerziell vertriebene
Prüfsysteme. Die Möglichkeiten zur Automatisierung, z. B. im Hinblick auf eine laufende
Qualitätskontrolle, sind entsprechend gering. Demgegenüber behaupten einfach hand
habbare und automatisierbare Verfahren zur Zähigkeitsbewertung mit zumeist nur quali
tativen Aussagegehalt, z. B. die Bestimmung der Kerbschlagzähigkeit, weiterhin ihren
hohen praktischen Stellenwert. Kommerziell vertriebene Prüfsysteme für derartige
Kennwerte, z. B. der Kerbschlagzähigkeit, unterstützen einen automatisierbaren Prüfab
lauf in der Qualitätskontrolle, gestatten jedoch keine Ermittlung aussagekräftiger
J-R-Kurven. Bei Prüfmaschinen für dynamische Beanspruchung (Pendelschlagwerke) besteht
in der Praxis oft keine oder bezüglich der Störschwingungen nur ungenügende Registrie
rung des Kraftsignals.
Aufgabe der Erfindung ist ausgehend von dieser Situation des Standes der Technik, eine
Prüfanordnung und ein zugeordnetes einfach zu handhabendes Verfahren aufzuzeigen,
wodurch eine automatische Ermittlung von Rißwiderstandskurven bei quasistatischer
und dynamischer Beanspruchung realisiert werden kann. Dieses Verfahren soll durch
geringfügige Modifizierungen an bestehenden Werkzeugprüfmaschinen einsetzbar sein,
wodurch mit geringem finanziellen Aufwand ein wesentlich höherer Aussagegehalt ge
troffen werden kann. Durch die automatische Kennwertermittlung und dem Ausschluß
subjektiver Einflüsse soll sich dieses Verfahren zur Integration in ein QSS eignen.
Die Aufgabe wird entsprechend der im Hauptanspruch aufgezeigten Merkmale gelöst.
Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Wesentlich zur Erfüllung der Aufgabe ist die ausschließlich auf Kraft- und Weg- bzw.
Zeitmeßdaten der Prüfmaschine basierende erfindungsgemäße Ermittlung einer
"wirksamen" Rißlänge a, welche zur Berechnung weiterer verschiedener Kennwerte be
nutzt wird.
Nachstehend wird die Erfindung an Hand von
Fig. 1 als Prüfanordnung und Rißlängenermittlungsverfahren
Fig. 2 als Ausführungsbeispiel zur Ermittlung von J-Rißwiderstandskurven dynamisch
beanspruchter SENB-Prüfkörper (Verfahrensschema)
beschrieben.
Fig. 1 bezeichnet eine Prüfanordnung und Rißlängenermittlungsverfahren, die aus einer
Werkzeugprüfmaschine 1, einem Prüfkörper 2, einer Prüfkörperlagerung 3, einer
Kraftsensorik 4, einer Weg/Zeit-Sensorik
5 besteht, dem über Schnittstellen 6 ein EDV-System 7 zugeordnet ist, welches ein Re
chenwerk 8 und Berechnungsroutinen 9 (z. B. standardisierte Auswertesoftware) zur Be
rechnung von Werkstoffkennwerten enthält. Der Prüfkörper ist dabei zwischen der Prüf
körperlagerung 3 angeordnet, welche zusammen mit der Kraftsensorik 4, der Weg/Zeit-Sensorik
5 und einem Steuermechanismus 10 Teil der Werkzeugprüfmaschine 1 sind. Bei
der Prüfung führt der Steuermechanismus 10 der Werkzeugprüfmaschine 1 zu einer Be
anspruchung des Prüfkörpers 2 welche von der Kraftsensorik 4 und der Weg/Zeit-Sensorik
5 registriert wird. Die im Signalweg zwischen der Werkzeugprüfmaschine 1
und dem EDV-System 7 angeordneten Schnittstellen 6 ermöglichen eine Übertragung
der Meßdatendupel I. Mittels des Rechenwerkes 8 und der Berechnungsroutinen 9 er
folgt im EDV-System 7 die Berechnung der Kennwerte. Diese können in der üblichen
Art und Weise dargestellt, ausgedruckt, gespeichert und in andere Programme bzw.
mittels eines Netzwerks auf andere EDV-Systeme übertragen werden. Erfindungsgemäß
ist zwischen den Schnittstellen 6 und dem Rechenwerk 8 ein Rißlängenmodul 11 ange
ordnet, welches aus einem leistungsfähigen Rechenwerk 12 und einer speziellen Rißlän
genberechnungssoftware 13 besteht. Dem Rißlängenmodul 11 stehen die Meßdaten des
Kraftsensors 4 und des Weg/Zeit-Sensors 5 in digitaler prüfmaschinenspezifischer Form
zur Verfügung. Zusätzlich werden dem Rißlängenmodul 11 die Daten zur Prüfkörper
geometrie (Länge, Breite, Höhe, Tiefe, Kerblänge) und zum Prüfablauf
(Prüfgeschwindigkeit, Stützweite, Beanspruchungsart) einmalig mitgeteilt. Zur Erzielung
geeigneter Kraftsignale besteht optional die Prüfkörperlagerung 3 und die Kraftsenso
rik 4 aus einem speziellen Sensorlager, wodurch bei dynamischer Beanspruchung eine
derartige Eigenfrequenz der Kraftsensorik 4 realisiert wird, die hinrei
chend größer ist als die wesentlichen Frequenzanteile des Kraftsignals. Dies wird im we
sentlichen durch einen einseitig freien mechanisch Kraftsensor (PIEZO- oder
DMS-Sensor) kleinstmöglicher Länge realisiert, welcher gleichzeitig als eine Prüfkörperlage
rung 3 dient. Mittels dieser kleinen freien Sensorabmessung und durch Reflexionszwi
schenschichten verschiedenen Schallwiderstands wird eine Schwingungsentkopplung von
mit niedrigerer Frequenz schwingenden Baugruppen (Pendelhammer, Fallbolzen) der
Werkstoffprüfmaschine realisiert. Das Rißlängenmodul 11 ermittelt damit eine wirksame
Rißlänge für jedes Meßdatendupel I aus Kraft- und Weg/Zeit Meßwerten, welche
schließlich als Datentripel II (Kraft- Weg,- Rißlänge) den Berechnungsroutinen 9 die
Berechnung von Rißwiderstandskurven ermöglicht. Das Rißlängenmodul 11 beinhaltet
spezielle Module 14:
- - zur automatischen Selektion gültiger Meßdaten
- - zur automatischen Verdichtung der Meßdaten auf eine geeignete Meßwertanzahl (zwischen 100 und 1000 Meßpunkte)
- - zur automatischen Bestimmung charakteristischer Kurvenpunkte (Rißinitiierungspunkt, Endpunkt des verzögerten Rißwachstums)
- - zur Parameterschätzung der ci {i = 1. . . 3} einer speziellen nichtlinearen KEY-Kurven-Funktion,
bsw. der normierten Durchbiegung yN als Funktion der normierten Kraft FN mit
yN = c₁ * FN + c₂FN 2 * ln (1-c₃ * FN)
mit der Randbedingung minimaler Störenergie,
bsw. über eine Minimierung der Summe der Fehlerquadratabweichung der Meßdatendu pel I von der KEY-Kurven-Funktion in obiger Darstellung bei quasi äquidistanten Durchbiegungswerten y.
bsw. über eine Minimierung der Summe der Fehlerquadratabweichung der Meßdatendu pel I von der KEY-Kurven-Funktion in obiger Darstellung bei quasi äquidistanten Durchbiegungswerten y.
- - zur Ermittlung von Basisparametern, bsw. E-Modul, Streckgrenze, Werkstoffanstren gung, aus den geschätzten Parametern ci
- - zur Ermittlung der wirksamen Rißlänge a aus den Basisparametern und den Meßdaten (Datentribel II=Meßdatendupel I (F, y) + wirksame Rißlänge a)
- - zur Auswertung der Daten (Ermittlung von verschiedenen Kennwerten, insbesondere von Zähigkeitskennwerten, bsw. der techn. Rißinitiierung J0.2 und des Reißmoduls TJ)
- - zur Übergabe der Daten (Datentripel II, verschiedene Kennwerte, Statusangaben).
Bei einem modernen leistungsfähigen EDV-System 7 kann das Rechenwerk 8 das lei
stungsfähige Rechenwerk 12 beinhalten. Des weiteren ist eine Integration des Rißlän
genmoduls 11 in das EDV-System 7 möglich.
Das zugeordnete Rißlängenermittlungsverfahren auf Basis der Meßdatentupel I wird
nachfolgend beschrieben. Auf der Basis der von einer Werkstoffprüfmaschine 1 im spe
zifischen Format gelieferten Meßdatentupel I werden die Kraftdaten F der Beanspru
chung (die bei dynamischer Beanspruchung von Störschwingungen überlagert sind) und
die Wegdaten y der Durchbiegung (die sich bei dynamischer Beanspruchung aus der Zeit
berechnen lassen) ermittelt. Anschließend werden die Kraft- und Wegdaten einem Modul
zur automatischen Selektion gültiger Meßdatendupel I zugeführt, welches automatisch
ein gültiges Meßdatenfenster selektiert. Im nachgeschalteten Modul zur automatischen
Verdichtung der Meßdatendupel I werden diese auf eine geeignete Meßwertanzahl
(zwischen 100 und 1000 Meßpunkte) verdichtet. Dies geschieht mittels geeigneter Da
tenfilter. Erfindungsgemäß wird ein Modul zur automatischen Bestimmung cha
rakteristischer Punkte (Rißinitiierung, Ende des verzögerten Rißwachstums) nachge
schaltet, welches charakteristische Kurvenpunkte (Meßdatendupel I) ermittelt. Dazu
wird in einem untergeordneten Parameterschätzmodul ein Teil der Meßdatendupel I
normiert und eine spezielle nichtlineare KEY-Kurve angepaßt, indem mit allen gültigen
Meßpunkten dieses Teils der Meßdatendupel I eine Parameterschätzung hoher Erwar
tungstreue durchgeführt wird, wobei diese Schätzung der Randbedingung minimaler Stö
renergie genügt. Die nichtlineare KEY-Kurve stellt dabei eine analytische Funktion dar,
welche das nichtlineare Deformationsverhalten der untersuchten Prüfkörper beliebiger
Materialien bis zur Rißinitiierung näherungsweise beschreibt. Der maxi
mal mögliche Teil der Meßkurve, welcher die Nebenbedingung, daß alle nachfolgenden
Kraftmeßwerte F kleiner als die analytische Verlängerung der KEY-Kurve sind, stellt den
Teil der Rißabstumpfung dar. Das Ende der Rißabstumpfung ist durch den Rißinitiie
rungspunkt gekennzeichnet. In einer vereinfachten Variante ist optional die Verwendung
des Kraftmaximums an der Stelle des Rißinitiierungspunktes möglich. Der Endpunkt des
verzögerten Rißwachstums ergibt sich aus dem Punkt nachfolgender maximaler konvexer
Krümmung der Meßkurve.
In einem nachfolgenden Modul zur Basisparameterermittlung werden mit den speziellen
Parameterschätzungen der KEY-Kurve bis zum Rißinitiierungspunkt in Verbindung mit
der Prüfkörpergeometrie und den Prüfbedingungen die Basisparameter des Prüfkörpers
ermittelt, die Material- und Prüfmodellkennwerte darstellen. In dem nachfolgenden Mo
dul zur Ermittlung der wirksamen Rißlänge a wird mit den Basisparametern zu jedem
Meßdatendupel I ein Datetripel II ermittelt. Die geschieht bis zur Rißinitiierung auf
der Basis des verwendeten Prüfmodells, bsw. eines Gelenkprüfkörpers, und der ermit
telten Basisparameter und nach der Rißinitiierung, indem bestimmte, beim stabilen Riß
wachstum näherungsweise als konstant anzusetzende Basisparameter, bsw. die Mate
rialanstrengung und/oder das Crack Tip Opening Displacement (CTOD), als konstant
betrachtet werden und mittels der Basisparameter und der nachfolgenden Meßdatendupel
I die zugeordnete wirksame Rißlänge a bestimmt wird.
In einem Auswerte-Modul werden näherungsweise verschiedene Kennwerte berechnet,
insbesondere über eine Ermittlung von
Rißwiderstandskurven verschiedene Zähigkeitskennwerte sowie andere Material
kennwerte (Elastizitätsmodul, Streckgrenze, . . .).
In dem nachgeschalteten Modul zur Übergabe der Daten werden die Datentripel II (Kraft
F, Weg y, wirksame Rißlänge a), die verschiedenen Kennwerte und die Statusangaben
(Informationen über die Meßdaten, der statistischen Sicherheit der Parameterschät
zung, . . .) an ein übergeordnetes System übergeben. In diesem ist durch Verwendung ent
sprechender Auswertungsroutinen (z. B. standardisierte Bruchmechaniksoftware) insbe
sondere ebenfalls die Ermittlung von Rißwiderstandskurven entsprechend vorhandener
Standards und damit die Ermittlung von Zähigkeitskennwerten möglich. Ebenso können
alle Daten dargestellt, ausgedruckt, gespeichert und über ein Netz an übergeordnete Sys
teme übertragen werden.
In Fig. 2 ist als ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens, schema
tisch die Ermittlung von J-Rißwiderstandskurven dynamisch beanspruchter
SENB-Prüfkörper dagestellt, welche mittels der wirksamen Rißlänge a ausschließlich aus Kraft-
und Weg/Zeitmeßwerten ermittelt werden.
Bezugszeichenliste
1 Werkzeugprüfmaschine
2 Prüfkörper
3 Prüfkörperlagerung
4 Kraftsensorik
5 Weg/Zeit-Sensorik
6 Schnittstelle
7 EDV-System
8 Rechenwerk
9 Berechnungsroutinen
10 Steuermechanismus
11 Rißlängenmodul
12 leistungsfähiges Rechenwerk
13 Rißlängenberechnungssoftware
14 Modul
2 Prüfkörper
3 Prüfkörperlagerung
4 Kraftsensorik
5 Weg/Zeit-Sensorik
6 Schnittstelle
7 EDV-System
8 Rechenwerk
9 Berechnungsroutinen
10 Steuermechanismus
11 Rißlängenmodul
12 leistungsfähiges Rechenwerk
13 Rißlängenberechnungssoftware
14 Modul
Claims (3)
1. Anordnung und Verfahren zur automatischen Ermittlung von Rißwiderstandskurven
mittels einer Prüfanordnung, die aus einer Werkzeugprüfmaschine (1), einem Prüfkörper
(2), einer Prüfkörperlagerung (3), einer Kraftsensorik (4), einer Weg/Zeit-Sensorik (5)
besteht, dem über Schnittstellen (6) ein EDV-System (7) zugeordnet ist, welches ein
Rechenwerk (8) und Berechnungsroutinen (9) zur Berechnung von Werkstoffkennwerten
enthält, indem der Prüfkörper (2) zwischen der Prüfkörperlagerung (3) angeordnet ist,
welche zusammen mit der Kraftsensorik (4), der Weg/Zeit-Sensorik (5) und einem Steu
ermechanismus (10) Teil der Werkzeugprüfmaschine (1) sind, indem bei der Prüfung der
Steuermechanismus (10) der Werkzeugprüfmaschine (1) zu einer Beanspruchung des
Prüfkörpers (2) führt, welche von der Kraftsensorik (4) und der Weg/Zeit-Sensorik (5)
registriert wird, die zwischen der Werkzeugprüfmaschine (1) und dem EDV-System (7)
angeordneten Schnittstellen (6) eine Übertragung der Meßdatendupel I ermöglichen,
in diesem EDV-System (7) mittels des Rechenwerkes (8) und der Berechnungsroutinen
(9) die Berechnung der Kennwerte erfolgt, diese in der üblichen Art und Weise darge
stellt, ausgedruckt, gespeichert und in andere Programme bzw. mittels eines Netzwerks
auf andere EDV-Systeme übertragen werden können,
dadurch gekennzeichnet,
daß zwischen den Schnittstellen (6) und dem Rechenwerk (8) ein Rißlängenmodul (11)
angeordnet ist, welches aus einem leistungsfähigen Rechenwerk (12) und einer speziellen
Rißlängenberechnungssoftware (13) besteht,
daß dem Rißlängenmodul (11) die Meßdaten der Kraftsensorik (4) und der Weg/Zeit-Sensorik (5) in digitaler prüfmaschi nenspezifischer Form zur Verfügung stehen,
daß zusätzlich dem Rißlängenmodul (12) die Daten zur Prüfkörpergeometrie und zum Prüfablauf einmalig mitgeteilt werden,
daß zur Erzielung geeigneter Kraftsignale die Prüfkörperlagerung (3) und die Kraftsen sorik (4) optional aus einem speziellen Sensorlager besteht, wodurch bei dynamischer Beanspruchung eine derartige Eigenfrequenz der Kraftsensorik (4) rea lisiert wird, die hinreichend größer ist als die wesentlichen Frequenzanteile des Kraftsig nals, indem dies im wesentlichen durch einen einseitig freien mechanisch Kraftsensor kleinstmöglicher Länge realisiert wird, welcher gleichzeitig als eine Prüfkörperlagerung (3) dient, indem eine Schwingungsentkopplung durch Reflexionszwischenschichten von mit niedrigerer Frequenz schwingender Baugruppen der Werkstoffprüfmaschine (I) rea lisiert wird,
daß das Rißlängenmodul (11) für jedes Meßdatendupel I aus Kraft- und Weg/Zeit-Meßdaten eine wirksame Rißlänge ermittelt, welche schließlich als Datentripel II die Berechnung von Rißwiderstandskurven ermöglicht,
daß das Rißlängenmodul (11) spezielle Module (14) beinhaltet,
daß das zugeordnete Rißlängenermittlungsverfahren aus den von einer Werkstoffprüfma schine (1) im spezifischen Format gelieferten Meßdatendupel I die zugeordneten Kraft- und Wegdaten ermittelt,
daß die Kraft- und Wegdaten einem Modul zur automatischen Selektion gültiger Meß daten zugeführt werden, welcher automatisch ein gültiges Meßdatenfenster selektiert,
daß im nachgeschalteten Modul zur automatischen Verdichtung der Meßdaten diese mittels geeigneter Filter auf eine geeignete Meßwertanzahl verdichtet werden,
daß in einem nachgeschalten Modul zur automatischen Bestimmung charakteristischer Punkte, charakteristische Kurvenpunkte ermittelt werden, indem in einem untergeordne ten Parameterschätzmodul ein Teil der Meßdaten normiert und eine spezielle nichtlineare KEY-Kurve angepaßt wird,
daß mit allen gültigen Meßpunkten dieses Teils der Meßdaten eine Parameterschätzung hoher Erwartungstreue durchgeführt wird, wobei diese Schätzung der Randbedingung minimaler Störenergie genügt,
daß die nichtlineare KEY-Kurve dabei eine analytische Funktion darstellt, welche das Deformationsverhalten der untersuchten Prüfkörper beliebiger Materialien näherungs weise bis zur Rißinitiierung beschreibt,
daß der maximal mögliche Teil der Meßkurve, welcher die Nebenbedingung, daß alle nachfolgenden Kraftmeßwerte kleiner als die analytische Verlängerung der KEY-Kurve sind, den Teil der Rißabstumpfung darstellt,
daß in einer vereinfachten Variante die Verwendung des Kraftmaximums an der Stelle des Rißinitiierungspunktes möglich ist,
daß der Endpunkt des verzögerten Rißwachstums sich aus dem Punkt nachfolgender maximaler konvexer Krümmung ergibt,
daß in einem nachfolgenden Modul zur Basisparameterermittlung mit den speziellen Pa rameterschätzungen der KEY-Kurve bis zum Rißinitiierungspunkt in Verbindung mit der Prüfkörpergeometrie und den Prüfbedingungen die Basisparameter des Prüfkörpers (2) ermittelt werden,
daß in dem nachfolgenden Modul zur Ermittlung der wirksamen Rißlänge mit den Basis parametern und den Meßdatendupel I ein Datetripel II ermittelt wird, indem dies bis zur Rißinitiierung auf der Basis des verwendeten Prüfmodells und der ermittelten Basisparameter geschieht und nach der Rißinitiierung, indem bestimmte, beim stabilen Rißwachstum näherungsweise als konstant anzusetzende Basisparameter, als konstant betrachtet werden und mittels der Basisparameter und der nachfolgenden Meßdatendupel I die zugeordnete wirksame Rißlänge bestimmt wird,
daß in einem Auswerte-Modul näherungsweise verschiedene Kennwerte berechnet wer den, über eine Ermittlung von Rißwider standskurven insbesondere verschiedene Zähigkeitskennwerte sowie andere Materi alkennwerte,
daß in dem nachgeschalteten Modul zur Übergabe der Daten die Datentripel II, die verschiedenen Kennwerte und die Statusangaben an ein übergeordnetes System überge ben werden,
daß in diesem durch Verwendung entsprechender Auswertungsroutinen (z. B. standardi sierte Bruchmechaniksoftware) insbesondere ebenfalls die Ermittlung von Rißwider standskurven entsprechend vorhandener Standards und damit die Ermittlung von Zähig keitskennwerten möglich ist,
daß alle Daten dargestellt, ausgedruckt, gespeichert und über ein Netz an übergeordnete Systeme übertragen werden können.
daß dem Rißlängenmodul (11) die Meßdaten der Kraftsensorik (4) und der Weg/Zeit-Sensorik (5) in digitaler prüfmaschi nenspezifischer Form zur Verfügung stehen,
daß zusätzlich dem Rißlängenmodul (12) die Daten zur Prüfkörpergeometrie und zum Prüfablauf einmalig mitgeteilt werden,
daß zur Erzielung geeigneter Kraftsignale die Prüfkörperlagerung (3) und die Kraftsen sorik (4) optional aus einem speziellen Sensorlager besteht, wodurch bei dynamischer Beanspruchung eine derartige Eigenfrequenz der Kraftsensorik (4) rea lisiert wird, die hinreichend größer ist als die wesentlichen Frequenzanteile des Kraftsig nals, indem dies im wesentlichen durch einen einseitig freien mechanisch Kraftsensor kleinstmöglicher Länge realisiert wird, welcher gleichzeitig als eine Prüfkörperlagerung (3) dient, indem eine Schwingungsentkopplung durch Reflexionszwischenschichten von mit niedrigerer Frequenz schwingender Baugruppen der Werkstoffprüfmaschine (I) rea lisiert wird,
daß das Rißlängenmodul (11) für jedes Meßdatendupel I aus Kraft- und Weg/Zeit-Meßdaten eine wirksame Rißlänge ermittelt, welche schließlich als Datentripel II die Berechnung von Rißwiderstandskurven ermöglicht,
daß das Rißlängenmodul (11) spezielle Module (14) beinhaltet,
daß das zugeordnete Rißlängenermittlungsverfahren aus den von einer Werkstoffprüfma schine (1) im spezifischen Format gelieferten Meßdatendupel I die zugeordneten Kraft- und Wegdaten ermittelt,
daß die Kraft- und Wegdaten einem Modul zur automatischen Selektion gültiger Meß daten zugeführt werden, welcher automatisch ein gültiges Meßdatenfenster selektiert,
daß im nachgeschalteten Modul zur automatischen Verdichtung der Meßdaten diese mittels geeigneter Filter auf eine geeignete Meßwertanzahl verdichtet werden,
daß in einem nachgeschalten Modul zur automatischen Bestimmung charakteristischer Punkte, charakteristische Kurvenpunkte ermittelt werden, indem in einem untergeordne ten Parameterschätzmodul ein Teil der Meßdaten normiert und eine spezielle nichtlineare KEY-Kurve angepaßt wird,
daß mit allen gültigen Meßpunkten dieses Teils der Meßdaten eine Parameterschätzung hoher Erwartungstreue durchgeführt wird, wobei diese Schätzung der Randbedingung minimaler Störenergie genügt,
daß die nichtlineare KEY-Kurve dabei eine analytische Funktion darstellt, welche das Deformationsverhalten der untersuchten Prüfkörper beliebiger Materialien näherungs weise bis zur Rißinitiierung beschreibt,
daß der maximal mögliche Teil der Meßkurve, welcher die Nebenbedingung, daß alle nachfolgenden Kraftmeßwerte kleiner als die analytische Verlängerung der KEY-Kurve sind, den Teil der Rißabstumpfung darstellt,
daß in einer vereinfachten Variante die Verwendung des Kraftmaximums an der Stelle des Rißinitiierungspunktes möglich ist,
daß der Endpunkt des verzögerten Rißwachstums sich aus dem Punkt nachfolgender maximaler konvexer Krümmung ergibt,
daß in einem nachfolgenden Modul zur Basisparameterermittlung mit den speziellen Pa rameterschätzungen der KEY-Kurve bis zum Rißinitiierungspunkt in Verbindung mit der Prüfkörpergeometrie und den Prüfbedingungen die Basisparameter des Prüfkörpers (2) ermittelt werden,
daß in dem nachfolgenden Modul zur Ermittlung der wirksamen Rißlänge mit den Basis parametern und den Meßdatendupel I ein Datetripel II ermittelt wird, indem dies bis zur Rißinitiierung auf der Basis des verwendeten Prüfmodells und der ermittelten Basisparameter geschieht und nach der Rißinitiierung, indem bestimmte, beim stabilen Rißwachstum näherungsweise als konstant anzusetzende Basisparameter, als konstant betrachtet werden und mittels der Basisparameter und der nachfolgenden Meßdatendupel I die zugeordnete wirksame Rißlänge bestimmt wird,
daß in einem Auswerte-Modul näherungsweise verschiedene Kennwerte berechnet wer den, über eine Ermittlung von Rißwider standskurven insbesondere verschiedene Zähigkeitskennwerte sowie andere Materi alkennwerte,
daß in dem nachgeschalteten Modul zur Übergabe der Daten die Datentripel II, die verschiedenen Kennwerte und die Statusangaben an ein übergeordnetes System überge ben werden,
daß in diesem durch Verwendung entsprechender Auswertungsroutinen (z. B. standardi sierte Bruchmechaniksoftware) insbesondere ebenfalls die Ermittlung von Rißwider standskurven entsprechend vorhandener Standards und damit die Ermittlung von Zähig keitskennwerten möglich ist,
daß alle Daten dargestellt, ausgedruckt, gespeichert und über ein Netz an übergeordnete Systeme übertragen werden können.
2. Anordnung zur automatischen Ermittlung von Rißwiderstandskurven nach Anspruch
1, dadurch gekennzeichnet,
daß das Rißlängenmodul (11) in das EDV-System (7) integriert ist.
3. Anordnung zur automatischen Ermittlung von Rißwiderstandskurven nach Anspruch 1
und Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
daß das Rechenwerk (8) das leistungsfähige Rechenwerk (12) beinhaltet.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE1996135968 DE19635968A1 (de) | 1996-09-05 | 1996-09-05 | Anordnung und Verfahren zur automatischen Ermittlung von Rißwiderstandskurven |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE1996135968 DE19635968A1 (de) | 1996-09-05 | 1996-09-05 | Anordnung und Verfahren zur automatischen Ermittlung von Rißwiderstandskurven |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE19635968A1 true DE19635968A1 (de) | 1998-03-26 |
Family
ID=7804658
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE1996135968 Withdrawn DE19635968A1 (de) | 1996-09-05 | 1996-09-05 | Anordnung und Verfahren zur automatischen Ermittlung von Rißwiderstandskurven |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE19635968A1 (de) |
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CN114754665A (zh) * | 2022-03-24 | 2022-07-15 | 苏州思萃融合基建技术研究所有限公司 | 一种分段式钢结构建筑施工期应变监测方法和系统 |
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- 1996-09-05 DE DE1996135968 patent/DE19635968A1/de not_active Withdrawn
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CN114754665B (zh) * | 2022-03-24 | 2023-08-11 | 苏州思萃融合基建技术研究所有限公司 | 一种分段式钢结构建筑施工期应变监测方法和系统 |
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8180 | Miscellaneous part 1 |
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