DE2645474C3 - Geräte für die Erzeugung spezifizierter Deformationsprozesse in Probekörpern - Google Patents

Description

Mit den Geräten kann die Festigkeit von Stoffen durch die Erzeugung definierter, insbesondere räumlich homogener Deformationen, geprüft werden. Es können zum Beispiel Streckungen und einfache Scherungen erzeugt werden. Die gewünschte Deformation wird dadurch hergestellt, daß den die Oberfläche des Probekörpers begrenzenden Teilen bestimmte Wege eingeprägt werden. Sie werden auf der Grundlage mechanischer Funktionen oder durch weggesteuerte hydraulische oder elektromotorische Antriebe hergestellt.

Das Anwendungsgebiet der Erfindung besteht im Messen des funktionalen Zusammenhanges zwischen Spannungen und Deformationen. Im besonderen besteht die Notwendigkeit der Erzeugung homogener Deformationen, die von fundamentaler Bedeutung in der Theorie der Festigkeit von Stoffen sind. Aus den gemessenen Werten werden die Stoffparameter von Stoffverhaltensgleichungen, wie zum Beispiel der Elastizitätsmodul oder Viskositätsparameter, ermittelt.

Ein anderes Anwendungsgebiet ist das technologischer Tests. Der Zweck technologischer Tests besteht in der Untersuchung der Festigkeit von Materialien durch definierte Deformationsprozesse. Diese sind in der durch die jeweiligen technologischen Erfordernisse spezifizierten Form durch diese Geräte erzeugbar.

Bisher gibt es weder Apparate für die Erzeugung der Klasse der homogenen Deformationen noch Apparate für die weggesteuerte Erzeugung definierter Deformationsprozesse, die auf einer mechanischen Wirkungsweise beruhen und dem Erfinder bekannt wären. Ausgenommen hiervon ist das Gerät zur Erzeugung »einfacher Scherungen«, Patentaktenzeichen P 2 249191.4, das auf einer anderen als der hier beschriebenen Funktion beruht.

Geräte nach den Ansprüchen 5-7 sind ebenfalls nicht bekannt. Zwar gibt es Versuchsvorrichtungen bei denen kubischen Probekörpern der Weg einer ebenen Fläche durch hydraulische oder elektromotorische Kraft eingeprägt wird, jedoch erstreckt sich die Einprägung auf große Bereiche der Oberfläche des Probekörpers. Erfolgt die Einprägung mit einem starren Element, zum Beispiel mit einem starren Stempel, so entstehen Dehnungsbehinderungen in der Kontaktfläche und den angrenzenden Bereichen. Soll ein räumlich homogener Deformationszustand erzeugt werden, so würden die Dehnungsbehinderungen diesen Zustand stören. Deshalb werden bisher zwischen den starren Stempel und die Probenoberfläche Folien

gelegt oder der Stempel in eine Vielzahl von Einzelstäben aufgelöst.

Bei den bisher hauptsächlich in der Bodenmechanik verwendeten Triaxialgeräten wird ein hydraulischer Druck für die Einleitung der Einprägung verwendet.

Diese Lösung ist insofern unzureichend, als durch Gleitfolien und bürstenartige Konstruktionen in den meister. Punkten die Wege bzw. Kräfte in der Oberfläche der Probe nicht kontrolliert eingeprägt weiden können. Es können deshalb nur kleine und auch nur drehdeformationsfreie Deformationen, das heißt Streckungen erzeugt werden. Bei den Triaxialgeräten besteht diese Einschränkung, nur Streckungen herstellen zu können, ebenfalls und zusätzlich die, daß die Deformationen in zwei verschiedenen Richtungen gleich sein müssen. Ein weiterer wesentlicher Mangel ist, daß Folien, Kammkonstruktionen und triaxiale Konstruktionen nur die Einleitung von D^uck und nur Kammkonstruktionen unter bestimmten Einschränkungen auch die Einleitung von Zug zulassen.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, Vorrichtungen zu schaffen, weiche die genannten Nachteile nicht aufweisen.

Die erfindungsgemäße Lösung der Aufgabe ist durch die Kennzeichnungsmerkmale des Anspruchs 1 gekennzeichnet.

Sie besteht im Prinzip darin, daß die Einprägungen an einer größeren Anzahl von kleinen Flächenteilen der Probenoberfläche vorgenommen werden. Die Art der Deformation hängt nur noch von den eingeprägien Wegen ab. Insbesondere können nun neben den Streckungen auch verallgemeinerte Scherungen (Deformationen mit lokalen Drehdeformationen) hergestellt werden. Auch die Art der bei der Einprägung auftretenden Kräfte unterliegt keinen besonderen Einschränkungen.

Die Aufgabe der Erzeugung definierter Wege kann dadurch gelöst werden, daß die einzuprägenden Wege durch voneinander unabhängige, zentral computergesteuerte Weggeber erzeugt werden. Da dafür jedoch eine große Zahl von Weggebereinrichtungen benötigt würde, bezieht die Erfindung die Möglichkeiten ein, Wegeinprägungen auf mechanischem Wege in Komponenten zu zerlegen. Erfindungsgemäß erfolgt diese Zerlegung zum Teil mehrfach, so daß auf diesem Wege mit vergleichsweise einfachen Mitte'n die erforderliche große Anzahl verschiedener, definierter Einprägungen erhalten wird. Die Einzelheiten der Erfindung werden nachfolgend aufgeführt.

Die definierten Deformationen werden dadurch hergestellt, daß den den Rand eines Probekörpers 7 begrenzenden Elementen bestimmte Wege eingeprägt werden. Diese Wege werden dadurch erzeugt, daß zwei Platten oder zwei Plattenpaaren 1, 2 und 3, 4, oder zwei Gruppen von Platten, deren Plattenmittelflachen parallel oder nahezu parallel sind, relativ zueinander bewegt werden. In den Platten befinden sich Schlitze, die bei Platten unterschiedlicher Gruppenzugehörigkeit in der Projektion auf eine Fläche in der Regel nicht kollinear sind. In der Durchschnittsfläche 12 zugeordneter Schlitze i.. Hauen unterschiedlicher Gruppenzugehörigkeit ist ein Stab, 5 oder 6, angeordnet, dessen Querschnitt im Bereich der Platten identisch der Durchschnittsfläche 11, 12 der Schlitze ist oder zum Beispiel die vier geradlinigen Ränder in jeweils einem Punkt berührt, 10. Die Stäbe sind so angeordnet, daß sie die Randflächen des Probekörpers in gleichmäßiger Folge umgeben. Der der Oberfläche des Probekörpers einzuprägende Weg wird der Probe durch den Stab eingeprägt. Dies kann unter Zwischenschaltung weiterer Elemente und/oder Erweiterungen des Stabes in Querrichtung seiner Achse erfolgen, die unter anderem den Zweck erfüllen, die auftretenden Kräfte zu messen, den Einbau der Probe 7 zu erleichtern und Platten 19 anordnen zu können, deren Mittelfläche senkrecht zu den Achsen der Stäbe ist und die Aufgabe haben, die Dehnung der Probe zu beschränken. Die Verlängerung der Achse der Stäbe im Bereich der Plattenschlitze muß in der Oberfläche der Probe liegen, wenn nicht allein Normalspannungen übertragen werden sollen. Außerdem sollte der Stab in den Schlitzen drehbar gelagert sein. Die Probe kann beliebige zylindrische Form haben. Das heißt, sie kann im Schnitt parallel zu den Platten 1... 4 rechteckig oder kreisförmig sein; Bild 1, 2.

Die Schlitze haben in der Regel lineare Achsen, jedoch können auch Achsen mit nichtlinearem Verlauf vorkommen.

Die Geräte eignen sich nicht nur zur Erzeugung homogener Deformationen sondern auch solcher, bei denen ein bestimmtes nichthomogenes Deformationsbild erzeugt werden soll. Zum Beispiel können räumlich nichtkonstante Deformationsgradientenfelder oder bestimmte Deformationsgeschwindigkeitsfelder erzeugt werden.

Die Stäbe können in den Schlitzen auf speziellen Metallen gleiten. Dies können zum Beispiel Metalle sein, die Graphit, öl oder andere, den Verschließ hemmende und das Gleiten fördernde Bestandteile und Strukturen aufweisen. Auch Keramik- und Sinterwerkstoffe sind geeignet.

Eine spezielle Ausbildung kann das Gerät erfahren, wenn Probekörper Verwendung finden, die durch ebene Flächen begrenzt werden, also insbesondere Probekörper in Form eines Kubus. Bei dem zuvor beschriebenen Gerät wurde die Bewegung eines Punktes durch die Bewegung des Schnittpunktes der relativ zueinander bewegten Achsen der Schlitze in Platten unterschiedlicher Gruppenzugehörigkeit hergestellt. Durch die Einschränkung, daß die Oberfläche eine Ebene sei, kann jedoch die eine Komponente der Bewegung durch eine zur Oberfläche parallele Platte, Teile 13 und 16, Bild 8, vorgeschrieben werden. Die Einprägung dieses Weges erfolgt über Teile 14, die sich zwar in Richtungen parallel zur Plattenmittelfläche bewegen können, senkrecht dazu jedoch gefesselt sind. Diese Art der Fesselung wird durch kurze parallele Striche, auf denen wiederum kurze Striche senkrecht stehen, symbolisch dargestellt. Die andere Komponente der Bewegung wird dadurch vorgeschrieben, daß die Teile 14 mit Zapfen versehen sind, die in Schlitzen von Platten 15 gelagert sind, die parallel zur Richtung der Komponente und senkrecht zu den Platten 13 und 16 angeordnet werden. Die Platten 15 kann man sich raumfest oder bezüglich eines durch Symmetrie ausgezeichneten Systems oder bezüglich einer der Platten 13 unverschieblich gelagert vorstellen. Danach bestimmt sich die Richtung der Schlitze, um eine bestimmte Deformation zu erzeugen. Dieser Sachverhalt wird in B i 1 d 3 symbolisch, in B i 1 d 4 konkret dargestellt, die Bewegung wird durch Pfeile kenntlich gemacht.

Eine Begrenzung der Dehnung senkrecht zu den Platten 15 kann dadurch erreicht werden, daß Platten 19, Bilder 6 und 7, parallel zu den Platten 15 an-

geordnet und in Richtungen parallel zu ihrer Mittelfläche parallelverschieblich in den Teilen 14 gelagert werden. Die Probe kann, zum Beispiel durch Klebung, mit den Platten 19 fest verbunden werden. Berührt die Probe jedoch weder die Platten 15 noch die Platten 19, so liegt der ebene Spannungsfall vor.

Die Bewegung der Platten 13 und 16 wird in der Regel durch eine Relation zwischen den Bewegungen zueinander senkrechter Platten bestimmt. Es ist möglich, die Wege durch hydraulisch oder elektromotorisch angetriebene Elemente nach einem bestimmten Programm einzuprägen. Möglich und zweckmäßig ist, diese Relation mechanisch herzustellen. Dies kann zum Beipsiel durch eine parallelverschiebüche Fesselung der Platten 13 und 16 erfolgen. Die Richtung der Parallelverschiebung richtet sich nach der zugrundeliegenden Relation. Für ein Beispiel sind die Wege einiger Punkte der Platten 13 und 16 und Punkte der Oberfläche der Probe in Bild 8 dargestellt. In den Bildern 9 und 10 wird eine mögliche mechanische Ausbildung der Fesselung der Platten 13 und 16 angegeben.

Der Verteil dieser Konstruktion liegt darin, daß mit ihr höhere Spannungswerte im Probekörper erzeugt werden können, da die Zapfen die Kraft über eine größere Fläche auf die Platten 15 abtragen. Außerdem bereitet die räumliche Anordnung der Schlitze für rechteckige Proben bei der zuerst beschriebenen Ausführung Schwierigkeiten.

Statt der Platten 15 kann von Stäben Gebrauch gemacht werden, die mit den Platten 13 bzw. 16 verbunden sind. An diesen sind wiederum Stäbe 18 parallelverschieblich gelagert, die die relative Bewegung der Platten 13 bzw. 16 linearproportional auf die Teile 14 übertragen. Jeweils zwei Beispiele für mögliche Anordnungen sind in den Bildern 11 und 12 dargestellt. Beide können kombiniert werden. Eine mögliche Ausbildung der parallelverschieblichen Fesselung ist in den Bildern 13 und 14 dargestellt. Das Symbol des kleinen Kreises stellt ein Zylindergelenk mit Achse senkrecht zur Zeichenfläche dar.

Die Anzahl der Elemente 18 wird den Anforderungen an die Homogenität der Deformation angepaßt. Für technische Zwecke erscheinen 5 bis 8 pro Achsrichtung ausreichend.

Zur Vermeidung eines parallelverschieblichen und gelenkigen Anschlusses kann von einer Konstruktion Gebrauch gemacht werden, die in Bild 15, 16, 17 dargestellt ist und im Anspruch 4 charakterisiert ist. Die Gelenkkonstruktion kann auch zwischen den Platten 16 angeordnet werden.

Der Vorteil dieses Gerätes gegenüber den zwei vorangehenden ist, daß eine noch höhere Auflösung der zu erzeugenden Deformation möglich ist; jedoch nimmt die Anzahl der Teile zu. Je nach Aufgabenstellung wird man sich für eines der drei Geräte entscheiden.

Bei den Geräten, die in den Ansprüchen 6, 7, 8 charakterisiert sind, wird der einem Punkt der Oberfläche des Probekörpers einzuprägende Weg durch hydraulische oder elektromotorische Einrichtungen erzeugt. Da den Punkten, sofern nicht Symmetrieeigenschaften der Deformation und der Probe genutzt werden, die Wege unabhängig voneinander einzuprägen sind, ergibt sich die Notwendigkeit, die Wege nach einem bestimmten Programm zu erzeugen. Das Programm kann zum Beispiel durch Einstellen von Ventilen, Reglern, durch mechanische Abtastung von Profilen und Umsetzung in Signale, die die Antriebe steuern, durch elektronische Schaltungen oder Mikroprozessoren bestimmt werden.

Wege sind in den Bildern durch Pfeile symbolisiert. ^r> Da diese nicht immer senkrecht auf der Oberfläche der Probe stehen, ist der Stab 21, Bild 18, 19, 20 in dem Rahmen 20 drehbar gelagert, dem seinerseits der Weg eingeprägt wird. Dies hat weiterhin den Vorteil, daß bei großen Deformationen Drehungen der

κι Oberfläche bezüglich der einzuprägenden Richtung keine Zwängungen hervorrufen. Die Achse des Stabes 21 im Bereich der Zapfen sollte kollinear mit einer Geraden in der Oberfläche der Probe sein.

Bei kleinen Deformationen und Deformationen,

ι ο die regelmäßig in gleicher Art und Weise durchgeführt werden, genügt es häufig, den Weg über ein Element 22, eine Platte oder einen Stab einzuprägen, B i 1 d 21, 22, 23.

Das Element 21 beziehungsweise 22 ist mit der

-'(ι Oberfläche des Probe körpers fest. z. B. durch Klebung, verbunden oder nicht. Das hängt u. a. von den durch Reibung zwischen dem Element und der Probenoberfläche aufnehmbaren Kräften ab und davon, ob die Normalkraftkomponente der Kraft eine Zug-

2") oder Druckkraft ist.

Der Vorteil von Konstruktionen gemäß den Ansprüchen 5-7 gegenüber solchen nach den Ansprüchen 1-6 ist, daß für die Erzeugung verschiedener Deformationsbilder das gleiche Gerät verwendet wer-

ii) den kann. Es ist in der Herstellung jedoch teuerer als die auf mechanischer Funktion basierenden Geräte, die man daher in der Regel bei standardisierten Prüfungen bevorzugt einsetzen wird. Außerdem kann bei periodischen Einprägungen der Verschleiß, der bei

jj den mechanisch funktionierenden Geräten zu Problemen führen kann, mit den zuletzt beschriebenen Geräten sicher beherrscht werden. Auch bei diesen kann die Seitenausdehnung der Probe durch Platten 19 verhindert werden.

■to Schließlich ist zu beachten, daß der einzuprägende Weg zum Beispiel im ebenen Fall nur dann linear über der Zeit dargestellt werden kann, wenn der Quotient der Hauptdehnungen über der Zeit konstant ist. Dies ist zwar ein spezieller, jedoch wichtiger Fall. Es zeigt

-ii sich aber auch die Notwendigkeit, einen beliebigen Weg einem Punkt der Oberfläche des Probekörpers einprägen zu müssen. Das ist nur möglich, wenn, im ebenen Fall, zwei Komponenten des Weges, im dreidimensionalen Fall, drei Komponenten des Weges

=;i> unabhängig voneinander einprägbar sind. Dies bedeutet, daß im ebenen Fall bei der Konstruktion nach Anspruch 5 statt einem, zwei Rahmen angeordnet werden müssen, in denen der Stab drehbar gelagert ist. Im dreidimensionalen Fall sind drei Rahmen oder

V) entsprechende Elemente und ein Kardan- oder Kugelgelenk anzuordnen.

Die Gelenkachsen oder ihre Verlängerungen sollten kollinear mit Geraden sein, die in der Oberfläche der Probe liegen.

mi Auch hier können bei kleineren Deformationen geringere Anforderungen gelten. Die Komponenten des Weges können durch gelenkig angeschlossene Pendelstäbe oder Stäbe eingeprägt werden. Falls Gelenke vorhanden sind, sollten sie so nahe wie möglich an

b5 der Oberfläche der Probe angeordnet werden.

Für alle Geräte gilt, daß bei der Deformation nichtkohäsiver Stoffe, wie z. B. Sand, auf den der Probe zugewandten Flächen der Elemente 5, 6, 14, 21, 22,

23 elastische Platten, ζ. B. aus Federstahl, angeordnet werden können, die den Raum, den der Probekörper einnimmt, dicht umschließen, oder daß zwischen den bezeichneten Elementen Dichtungen angeordnet werden, deren Spannungs-Deformationsverhalten dem des zu prüfenden Stoffes nahekommt.

Folgende Bezugszeichen wurden bei Hinweisen auf Zeichnungen verwendet:

1 Platte, gehörend zu einer Gruppe, z. B. der Gruppe A, Bild 2.

2 Platte, gehörend zu einer Gruppe, z. B. der Gruppe B, Bild 2.

3 Platte, gehörend zu der Gruppe B, Bild 2.

4 Platte, gehörend zu der Gruppe A, Bild 2.

5 Stab, durch einander entsprechende Schlitze hindurchreichend. Die Achse des Stabes im Bereich der Schlitze ist kollinear mit einer Geraden in der Oberfläche des Probekörpers, Bild 2.

6 Stab, durch einander entsprechende Schlitze hindurchreichend. Die Achse des Stabes im Bereich der Schlitze ist nicht kollinear mit einer Geraden in der Oberfläche des Probekörpers, Bild 2.

7 Probekörper, Bild 2.

8 Der Stab im Bereich der Schlitze, Bild 2.

9 Durchschnittsfläche der Schlitze in der Projektion auf eine zu den Platten parallele Ebene, Bild 1.

10 Querschnitt des Stabes im Bereich der Schlitze. Der Stab berührt jede Längsinnenfläche des Schlitzes in einem Punkt, Bild 1.

11 Der Querschnitt des Stabes im Bereich der Schlitze ist eine Kreisfläche, Bild 1.

12 Durchschnittsfläche der Schlitze in der Projektion auf eine zu den Platten parallele Ebene und

Querschnittsfläche des Stabes im Bereich der Schlitze sind identisch, Bild 1.

13 Platte, Bild 3, 4, 5.

14 Stab, gelagert zwischen der Platte 13 und der ίο Probe 7, Bild 3, 4, 5.

15 Platte mit Schlitzen, Bild 3, 4, 5.

16 Platte, Bild 8, 9, 10, 11, 12.

17 Stab, gelenkig bzw. gelenkig und parallelverschieblich angeschlossen an die Platten 13 bzw. 16, Bild 11, 12.

18 Stab, parallelverschieblich gelagert in den Stäben 17, Bild 11, 12.

19 Platte zur Begrenzung der Querdehnung, Bild 7.

20 Rahmen, Bild 18, 19, 20.

21 Stab, Bild 18, 19, 20.

22 Stab oder Platte, Bild 22.

23 Stab oder Platte, Bild 23.

24 Rahmen, Bild 24, 25.
25 Rahmen, Bild 24, 25.

26 Stab, Bild 24, 25.

27 Schlitze, Bild 3, 4, 5.

28 Gelenk, teilt die Stäbe 17, Bild 17.

29 Zapfen, Bild 24, 25.
30 Zapfen, Bild 18.

Hierzu 11 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Gerät zur Erzeugung geometrisch definierter Deformationsprozesse in Probekörpern, bestehend aus Platten und Stäben, gekennzeichnet durch die Vereinigung folgender Merkmale:

a) zwei Platten oder zwei Plattenpaare oder zwei Klassen von Platten sind parallel zueinander angeordnet;

b) die Flatten weisen Schlitze mit parallelen Längsflächen auf, die in Platten unterschiedlicher Klassenzugehörigkeit eindeutig zugeoidnet sind und in der Projektion auf auf eine Fläche parallel zu den Platten in der Regel eicht kollineare Achsen haben und eine gemeinsame Durchschnittsfläche aufweisen;

c) in der Durchschnittsfläche ist ein Stab angeordnet, der durch die Schlitze der Platten hindurchreicht und die linnenflächen der Schlitze jeweils in wenigstens einem Punkt berührt.

2. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

a) lediglich zwei Platten (15) parallel zueinander und parallel zu zwei verschiedenen Oberflächen des Probekörpers angeordnet sind;

b) die Achse des Stabes (14) kann im Bereich der Schlitze (27) kollinear mit einer in der Oberfläche des Probekörpers liegenden Geraden angeordnet werden;

c) senkrecht zu den Platten (1.5) und senkrecht zueinander sind Platten (13) und (16) angeordnet, die parallel zu den Oberflächen des Probekörpers sind;

d) zueinander senkrechte Platten (13) und (16) sind parallelverschieblirh gefesselt;

e) zwischen diesen Platten und Probenoberfläche sind Stäbe (14) parallelverschieblich in der Ebene der Platte (13) beziehungsweise (16) und wegunverschieblich senkrecht zur Ebene der Platte mit der Ebene verbunden;

f) die Stäbe (14) sind mit dem Probekörper fest verbindbar.

3. Gerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß

a) bei Wegfall der Platten (15) die Platten (13) sowie die Platten (16) durch Stäbe (17), die an die Platten gelenkig und an wenigstens einer Seite parallelverschieblich angeschlossen sind, verbunden werden, die Stäbe symmetrisch zur Mittelsenkrechten der Platten (13) beziehungsweise (16) angeordnet sind;

b) Stäbe (18) senkrecht zur Mittelsenkrechten der Platten (13) beziehungsweise (16) angeordnet sind, die durch die Stäbe (17) in Richtung ihrer Achse parallelverschieblich gelagert in gleicher Weise mit den Teilen (14) verbunden sind.

4. Gerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Stäbe (17) durch ein Gelenk (28) geteilt und an den Platten (13) beziehungsweise (16) gelenkig angeschlossen sind.

5. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stäbe (21) den Probekörper in mehr oder weniger gleichmäßiger Folge umgeben, die Stäbe an ihren Enden Zapfen (30) tragen, die in einem Rahmen (20) drehbar gelagert sind, und

den Rahmen durch Wegeber jeweils ein Weg in einer bestimmten Richtung und eines bestimmten Betrages eingeprägt wird.

6. Gerät nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Stäbe (26) an ihren Enden Zapfen (29) tragen, die in zwei Rahmen (24) und (25) drehbar gelagert sind.

7. Gerät nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß Pendelstäbe an die Platten (26) angeschlossen sind und den Stäben in Richtung ihrer Achse Wege eines bestimmten Betrages durch Weggeber eingeprägt werden.