DE2063913B2

DE2063913B2 - Verfahren zum Bestimmen der Lebens dauer von Konstruktionselementen

Info

Publication number: DE2063913B2
Application number: DE19702063913
Authority: DE
Inventors: Michinosuke Higuchi; Masaki Horioka
Original assignee: Nippon Kokan Ltd
Current assignee: JFE Engineering Corp
Priority date: 1969-12-27
Filing date: 1970-12-28
Publication date: 1973-12-13
Also published as: NL7018897A; DE2063913A1; BE760876A; JPS5418157B1; CH539838A; FR2074341A5; DE2063913C3; CS173576B2; GB1332148A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen der Lebensdauer von Konstruktionselemente!!, insbesondere durch die Messung der Ausbreitung eines Streifenmusters, die mit steigendem Ermiidungsgrad fortschreitet.

Das Fortschreiten der Ermüdung von Konstruktionselementen ist sehr wichtig, beispielsweise bei Brücken, Behältern, Luftfahrzeugen, Dämmen u. dg!., die wiederholten, von außen wirkenden Kräften ausgesetzt sind. Bisher war es jedoch schwierig, den Ermüdungsgrad solcher Bauelemente festzustellen. Die Ermüdungsbeständigkeit verschiedener Materialien, wie sie für Konstruktionselemente verwendet werden, wurde bisher vor dem Zusammenbau geprüft und ein Grenzwert mn einem Sicherheitsfaktor festgelegt. Wenn die zunehmende EmIUd¹¹Hg solcher Konstruktionselemente, deren Ermüdungsbeständigkeit im vorhinein bestimmt wurde und das L.nde der Lebensdauer des Materials bestimmt, jederzeit genau gemessen wird, dann kann man entsprechende Maßnahmen ergreifen, um diese Teile zu verstärken oder auszutauschen, bevor ein Versagen infolge Ermüdung auftritt.

Gemäß der Erfindung wurde nun ein Verfahren entwickelt, mit dem der Ermiidungsgrad solcher Elemente ermittelt und die Lebensdauer bestimmt werden kann. Dieses Verfahren ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß ein Film aus einem lichtdurchlässigen Stoff auf das Material des Konstruktionselementes aufgeklebt wird, auf diesen Film ein Polarisationsfilm aufgebracht und die Ausbreitung eines Streifenmusters auf dem Film aus lichtdurchlässigem Stoff unter weißem Licht beobachtet wird, die mit steigendem Ermiidungsgrad fortschreitet.

Bei diesem Bestimmungsverfahre.i wird das Konstruktionselement nicht beschädigt, und man kann den Ermiidungsgrad feststellen, bevor ein Versagen infolge Ermüdung auftritt.

Beispielsweise Aiisführungsformen der Erfindung werden im folgenden an Hand der Zeichnung erläutert, in der

F i g. 1 in einem Diagramm das Auftreten eines Versagens infolge einer Materialermüdung zeigt, wobei dieses Material einer wiederholten Beanspruchung mit konstanter Spannungsamplitude ausgesetzt wird;

F i g. 2 zeigt im Schnitt die durchlässige Schicht, die direkt auf das Konstruktionselement aufgebracht ist; F i g. 3 zeigt die Anordnung der F i g. 2 von oben;

F i g. 4 stellt in einer Seitenansicht eine Ausführungsform dar, bei der die lichtdurchlässige Schicht auf ein Metallblech aufgebracht ist, das seinerseits mit dem zu untersuchenden Konstruktionselement verbunden ist;

F i g. 5 zeigt die Anordnung der F i g. 4 von oben: F i g. 6 zeigt in einer Seitenansicht eine andere Ausführungsform der Erfindung und

F i g? 7 zeigt die Anordnung der F i g. 6 von oben; F i g. S zeigt die Anordnung der Erfindung bei der Prüfung von Rundmaterial:

F i αΓ9 ist ein Schnitt durch die Anordnung der F i g. S:
F i g. lü schematisch in einem Diagramm die Be-

zjehung zwischen wiederholter Beanspruchung einer Metallplatte und der Anzahl der Arbeitsspiele bis zum Auftreten eines Versagens infolge Materialermüdung.

Materialien, die für Konstruktionselemente \erwendet werden, verformen sich bekanntlich in Richtung der wirkenden Spannung, und sie ermüden mit zunehmender Anzahl der Beanspruchungen, wobei diese Ermüdung auf der wiederholten Beanspruchung oder auf einer sich überlappenden Wirkung der u ieder-Holten Beanspruchung und einer statischen Spannung beruhen kann. Wenn die Zahl der Arbeitsspiele bei der Beanspruchung der inneren Spannung des Materials entspricht, dann tritt ein Versagen des Materials bereits bei geringerer Spannung auf, als dies bei statischer Belastung der Fall wäre. In einem solchen Fall ist das Verhalten der dynamischen Spannung während der Wechselbeanspruchung natürlich sehr kompliziert. Es ist sehr schwierig, die Lebensdauer eines Materials zum Zeitpunkt der Herstellung eines Konstruktionselementes /u berechnen, da sich die Lebensdauer infolüe sich addierender und wiederholender Spannungen und Dehnungen, d. h. mit dem Fortschreiten des Ermüdungsgrades, ändert. Die Lebensdauer von Materialien wird, obwohl sie identisch sind, auf verschiedene Weise verkürzt.

Wenn ein Versagen infolge Materialermüdung bei Nx auftretender Spannung mit vorgegebener Amplitude auftritt, dann ist der rrmüdimgsgrad nach //-maliger Beanspruchung h/'/V. Ein solches Versagen tritt dann auf, wenn Γ/z/'/V I ist. Diese Beziehung ist in F i g. 1 dargestellt.

Der Quotient////V wird lolgendermaßen bestimmt. Wie aus F i g. 2 und 3 ersichtlich, wird eine Schicht aus einem lichtdurchlässigen Stoff 2 auf das zu untersuchende Material 1 vermittels eines Klebmittels 3 aufgebracht. Der lichtdurchlässige Stoff 2 sollte vorzugsweise wenigstens etwa 5°„ des auftreffenden Lichtes durchlassen. Anschließend wird eine Polarisationsfolie 4 auf diese Schicht 2 aufgebracht. Es kann jedoch auch nach der in den F i g. 4 und 5 dargestellten Methode verfahren werden. In diest-m Fall werden zwei gegenüberliegende Randteile eines Metallbleches 5 an dem zu untersuchenden Material 1 befestigt. Auf dieses Blech 5 werden die Schicht 2 und darüber die Polarisationsfolie 4 aufgebracht. Fällt nun weißes Licht auf den Film und dringt in die Schicht ein, dann erkennt man ein Streifenmuster, wie es in den F i g. 3 und 5 dargestellt ist. Das Streifenmuster erscheint auf ähnliche Weise wie bei den bekannten photoelastisehen Prüfungsverfahren mit monochromatischem Licht. Dieses Streifenmuster wird mit einem Testmuster verglichen, das vermittels einer Vergleichsprobe festgelegt wurde. Durch den Vergleich kann man die zunehmende Ermüdung des Materials exakt bestimmen und die Lebensdauer des Materials ermitteln.

In den F i g. 6 und 7 bzsv. 8 und 9 sind andere Au?- führungsformen der Erfindung dargestellt. Die F i r. 6

und 7 zeigen ein blattartiges Prüfstück, dessen Mittelteil schmaler ist und an dessen Enden Öffnungen 7 vorgesehen sind, durch die Haltemittel, z. B. Schrauben, zur Halterung des blattartigen Prüfstücks eingeführt werden können. In den F i g. 8 und 9 ist ein stabartiges Prüfstück dargestellt, dessen Mittelteil einen geringeren Durchmesser hat und an dessen Endleilen Gewinde 8 vorgesehen sind, die zur Befestigung dieses Prüfstücks dienen.

Beispiel

Prüfstück: Aluminium, Dicke 6 mm.
Lichtdurchlässige Schicht: 100 Teile Nylonharz

und 50 Teile Polyamidharz.
Lichtdurchlässigkeit: 35",',.
Filmdicke: 2,5 mm.
Klebmittel: 100 Teile Nylonharz und 60 Teile

Epoxydharz, Dicke der Harzschicht 0,05 mm. Polarisationsfilm·. Dicke 0,5 mm.

Die Beziehung zwischen der wiederholten Beanspruchung und der Zahl der Arbeitsspiele bis ziim Bruch des Prüfstückes ist in Fig. 10 darges.ellt. Diese Beziehung kann durch folgende Formel wiedergegeben werden:

"JN₁ τ (/V₂ -//,VzV₂ -r iiJNz ^ 1,

(7 -= wiederholt wirkende Spannung,

<7, -— 25 ke/mm²,

H₁ --= \Q\"

N₁ = 10⁵,

C₁ — 18 kg/mm²,

ii, = 10',

/Vo = 10¹⁵,

σ., = 10 ke'mm²,

/V, = 2,3 · 10".

Bei dem obigen Beispiel wird eine Spannung \on 25 kg/mm- wiederholt erzeugt, und das Ve^ag^n infolge Ermi lung tritt bei einer Spannung von JO kg/ mm² auf. Bei diesem Versuch kann man feststellen, daß die Ausbreitung des Streifenmusters nur einen geringen Zusammenhang mit der Größe der Spannung hat und der Geschwindigkeit des Fortschreitens cU-r Ermüdung n'N proportional ist. Man erhält folgende Meßergebnisse:

	i/.'V	Beobachtungsfeld
ο n'N	- -■ 0,6	0,5
η Ν	- O₁S	1,0
*ii N*	= 0,9	1.5
*ii N*	= = 0,95	3,0
(dargesteli	t in F i g. 3)

Dies bedeutet, daß der kritische Augenblick der Ermüdung dann vorliegt, wenn man in dem Beobachtungsfeld einen Polarisationswinkel von ~*0 erreicht, d. h., daß die Lebensdauer des Materials beendet ist.

Die Zunahme der Ermüdung, die Lebensdauer und das Ende der Lebensdauer von Konstruktionselementen kann daher nach dem erfindungsgemäßen Verfahren leicht festgestellt werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentanspruch:

Verfahren zur Bestimmung der Lebensdauer von Konstruktionselementen, dadurch gekennzeichnet, daß ein Film aus einem lichtdurchlässigen Stoff auf das Material des Konstruktionselementes aufgeklebt wird, auf diesen Film ein Polarisationsfilm aufgebracht und die Ausbreitung eines Streifenmusters auf dem Film aus lichtdurchlässigem Stoff unter weißem Licht beobachtet wird, die mit steigendem Ermiidungsgrad fortschreitet.