DE3617455A1 - Zweiachsige belastungsvorrichtung fuer flaechenhafte probenkoerper - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Untersuchungsvorrichtung zur zwei­ achsigen statischen und/oder dynamischen Belastung von flächen­ haften Materialproben.

Aus der Werkstoffkunde, insbesondere dem Bereich der Materialprü­ fung, sind Versuchsvorrichtungen für die zweiachsige statische und/oder dynamische Belastung von Materialprüflingen bekannt.
Diese Materialprüfvorrichtungen werden für Untersuchungen an rohrförmigen und/oder zylindrischen Probekörpern genutzt. Mit Hilfe von gleichzeitig an dem Probekörper angreifenden Zug-, Druck- und Torsionskräften lassen sich die Belastungsgrenzen der Probenmaterialien bei zweiachsigen Spannungszuständen ermitteln.

In ebenen Werkstücken, die nur durch Kräfte in ihrer Ebene und parallel zu ihren Achsen beansprucht werden, können ebenfalls zweiachsige Spannungszustände auftreten. Dieser in der Theorie der Materialprüfung an sich klassische Spannungszustand erzeugt ein Spannungsfeld, das durch die zwei Hauptspannungen in der Ebene der Belastungsrichtungen gekennzeichnet ist.

In vielen Bereichen der Technik, so auch im Flugzeugbau, werden mechanische Bauelemente durch zweiachsige Spannungszustände be­ lastet. Insbesondere der vermehrte Einsatz von Faserverbundwerk­ stoffen in der Luft- und Raumfahrtindustrie erfordert die genaue Kenntnis der Spannungsverteilung in derart belasteten Bauteilen, um eine gewichts- und kostenoptimale Konstruktion durchführen zu können.

Zudem wurde das Problem der Rißbildung bei zweiachsig belasteten flächenhaften Werkstücken aus den oben genannten Gründen bisher nur unzureichend untersucht. Insbesondere bei faserverstärkten Verbundwerkstoffen hat es sich als notwendig erwiesen, die bisher durchgeführten einachsigen Belastungsuntersuchungen durch die für den mehrachsigen Belastungsfall zu ergänzen. So können quantita­ tive Merkmale für die Berechnung der Lebensdauer und der Kon­ trollintervalle der verwendeten Bauteile erhalten werden.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Untersuchungsvorrichtung zu entwickeln, die zur Ermittlung der Spannungsverteilung bei ebenen Flächenträgern geeignet ist und mit der bruchmechanische Kennwerte und das Rißverhalten zweiachsig statisch und/oder dy­ namisch belasteter flächenhafter Materialproben bestimmt werden können. Die zu untersuchenden Probekörper sollen Abmessungen aufweisen können, die über den bisher üblichen Labormaßstab für genormte Zug- und Druckmaterialproben hinausgehen.

Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist in den Ansprüchen gekennzeichnet. Zur Erläuterung der Erfindung sind der Beschrei­ bung Zeichnungen beigelegt, die eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung darstellen. Im einzelnen zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer zweiachsigen Belastungsvorrichtung für Materialproben,

Fig. 2 eines der Krafteinleitungselemente.

Die Untersuchungsvorrichtung zur zweiachsigen statischen und/oder dynamischen Zug- und/oder Druckbelastung von flächenhaften Ma­ terialproben besteht aus einer biegesteifen kreuzförmigen Metall­ konstruktion, auf deren vier Schenkeloberseiten jeweils ein La­ gerbock zur Aufnahme von jeweils einem Hydraulikzylinder 1 bis 4 vorhanden ist, wobei die Hydraulikzylinder 1,...4 die erforder­ lichen Kräfte für die Materialprobenbelastung erzeugen. In einer vorteilhaften Gestaltung dieser Untersuchungsvorrichtung weisen die Schenkel dieser kreuzförmigen Metallkonstruktion je eine Länge von 4,5 m auf und haben eine Höhe von 1 m. Die maximale Ma­ terialprobengröße beträgt bei dieser Auslegung der Untersuchungs­ vorrichtung 0,57×0,57 m² ohne Einspannungsbereiche.

Zur Untersuchung einer Materialprobe 7 wird diese so in die Un­ tersuchungsvorrichtung eingespannt, daß ihr flächenbezogener Mit­ telpunkt den Kreuzungspunkt der Kraftwirklinien der vier Hydrau­ likzylinder 1,..4 markiert. Die Einspannung der Materialprobe er­ folgt an ihren vier Seiten mit Hilfe von jeweils einem Kraftüber­ tragungselement 5, die mit den Hydraulikzylindern 1,...4 verbun­ den sind. An den Kraftübertragungselementen befinden sich mehrere Krafteinleitungselemente 6. Die Krafteinleitungselemente 6 be­ stehen aus einem Paar Klemmbacken 13, die aus verstärkten Winkel­ profilen gefertigt sind, einem Einspannkopf 14 und Führungsschie­ nen 16, 17. Die Klemmbacken 13 sind paarweise mit dem Einspann­ kopf 14 verschraubt. Die Einspannköpfe 14 sind untereinander ge­ trennt sowie verschiebbar mittels Nadelkäfigen 15 auf Führungs­ schienen 16, 17 angeordnet, die wiederum an einem trapezförmigen Kraftübertragungselement 5 befestigt sind. Die von den Hydraulik­ zylindern 1,..4 erzeugten Kräfte sind Einzellasten und werden mittels der Krafteinleitungselemente 6 über die gesamte Proben­ länge als gleichmäßige Last verteilt. Die Einspannung der Ma­ terialprobe 7 erfolgt dabei momentenfrei. Damit die Materialpro­ ben sowohl statischen als auch dynamischen Belastungen in Zug- und/oder Druckrichtung unterworfen werden können und dabei die Querkontraktionsfähigkeit des Materials erhalten bleibt, wird die Aktivität der vier Hydraulikzylinder 1 bis 4 von Regelungsein­ richtungen bestimmt. Auf jeder der beiden Belastungsachsen der Untersuchungseinrichtung wird dabei ein Hydraulikzylinder kraft­ abhängig (Hydraulikzylinder 1 und 2), sowie der gegenüberliegende Hydraulikzylinder (3 und 4) wegabhängig geregelt.

Die Regelungseinrichtungen bestehen aus Kraftsensoren 8, oder ge­ gebenenfalls Wegsensoren, die an den Hydraulikzylindern 1 bis 4 befestigt sind, aus einem X-Y-Positionssensor 12 für die Materi­ alprobe 7 sowie aus Ansteuerungseinrichtungen für die Betätigung der Hydraulikzylinder 1 bis 4. Auf der kraftgeregelten Seite der Untersuchungsvorrichtung werden an den Hydraulikzylindern 1 und 2 die auf die Materialprobe 7 wirkenden Kräfte durch die Kraftsen­ soren 8 ermittelt, während die Kraftsensoren 8 auf der weggere­ gelten Seite Kontrollzwecken dienen.

Bei einer Inbetriebnahme der Untersuchungsvorrichtung werden von den kraftgeregelten Hydraulikzylindern 1 und 2 vorgewählte Kräfte auf die Materialprobe 7 ausgeübt. Eine auf der Oberfläche der Ma­ terialprobe 7 mittig oder einem beliebigen Punkt angeordnete Leuchtdiode 11 mit schmalem Leuchtwinkel wird von einem X-Y-Posi­ tionssensor 12 in ihrer Ortsveränderung überwacht und die gemes­ senen Abweichungen von der Ursprungslage der Leuchtdiode an die Wegregeleinrichtung 10 übermittelt. Sie verarbeitet diese Infor­ mationen so, daß in den beiden Hydraulikzylindern 3 und 4 Reakti­ onskräfte geweckt werden, die die Verschiebung des Leuchtpunktes der Materialprobe 7 rückgängig machen. Hierdurch wird eine mo­ mentenfreie Krafteinleitung (Moment auf die Z-Achse M _z =0) in die Materialprobe 7 gewährleistet.

In Abhängigkeit von den technischen Merkmalen der Hydraulikzylin­ der 1 bis 4 lassen sich unterschiedliche Zylinderhublängen sowie unterschiedliche statische und dynamische Kräfte erzielen. In dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel beträgt die maximale Zy­ linderhublänge 0,15 m, während die maximale statische Kraft mit 210 kN und die maximale dynamische Kraft mit 168 kN bei einer Frequenz von bis zu 15 Hz angegeben wird. Die Hydraulikzylinder 1,...4 können durch geeignete elektrische bzw. pneumatische Stellvorrichtungen ersetzt werden.

Mit der hier beschriebenen Untersuchungsvorrichtung zur zwei­ achsigen statischen und/oder dynamische Zug- und/oder Druckbe­ lastung von flächenhaften Materialproben ist es möglich, durch unterschiedliche Belastungszustände mit Hilfe der weg- und kraft­ geregelten Hydraulikzylinder 1 bis 4 verschiedene Spannungszu­ stände in der zu untersuchenden Materialprobe 7 zu realisieren, und die material- und versuchsspezifische Querkontraktion des Prüflings zu gestatten. Die Materialproben 7 können unterschied­ liche Probengrößen aufweisen und aus unterschiedlichen Materi­ alien, wie z.B. Metall, Metallwaben-Platten oder Platten aus Faserverbundswerkstoffen bestehen.

Claims (10)

1. Untersuchungsvorrichtung zur zweiachsigen statischen und/oder dynamischen Zug- und/oder Druckbelastung von flächen­ haften Materialproben, dadurch gekennzeichnet, daß die zu unter­ suchende Materialprobe (7) in der Mitte zwischen vier kreuzförmig angeordneten, und in Kraft und Hubweg elektronisch regelbaren Hy­ draulikzylindern (1, 2, 3, 4) mit jeweils einem Kraftübertra­ gungselement (5) an vier Seiten querkontraktionsfähig eingespannt einer zweiachsigen ebenen Belastung unterworfen wird, daß auf je­ der der beiden Belastungsachsen der Untersuchungsvorrichtung ein Hydraulikzylinder (1, 2) kraftgeregelt und die gegenüberliegenden Hydraulikzylinder (3, 4) weggeregelt sind, daß eine Ortserken­ nungseinrichtung zur Ermittlung der Position der Materialprobe (7) vorhanden ist, die mit Hilfe einer Wegregeleinrichtung (10) einen beliebigen Punkt der Materialprobe (7) auf dem Schnittpunkt der Kraftrichtungslinien der Hydraulikzylinder hält.

2. Untersuchungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der die entstehenden Lasten aufnehmende Teil der Untersuchungsvorrichtung aus einer biegesteifen kreuzförmigen Konstruktion besteht, deren Schenkeloberseiten über jeweils einen Lagerbock zur Aufnahme eines Hydraulikzylinders (1,..4) verfügen.

3. Untersuchungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß die von den Hydraulikzylindern (1,..4) erzeugten und auf die Materialprobe (7) wirkenden Kräfte Einzellasten sind, die sich an den jeweiligen Einspannstellen über mehrere Krafteinleitungselemente (6) auf die gesamte Pro­ benlänge als gleichmäßige Last verteilen.

4. Untersuchungsvorrichtung nach einem der Ansprüche bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Krafteinleitungselemente (6) in Verbindung mit der Kraft- und Wegregeleinrichtung eine mo­ mentenfreie Krafteinleitung in die Materialprobe (7) bewirken.

5. Untersuchungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Materialprobe (7) quer­ kontraktionsfähig in der Untersuchungsvorrichtung durch die Ein­ spannung in den untereinander verschieblichen Krafteinleitungs­ elementen (6) befestigt wird.

6. Untersuchungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß auf der kraftgeregelten Seite der Untersuchungsvorrichtung die wirksam werdenden Kräfte mit Hilfe von Kraftsensoren (8) gemessen und einer Kraftregeleinrich­ tung (9) für die Hydraulikzylinder (1, 2) zugeleitet werden, während auf der weggeregelten Seite die Kraftsensoren (8) Kon­ trollzwecken dienen.

7. Untersuchungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die kraftgeregelte Belastung der Materialprobe durch eine weggeregelte Belastung ersetzt ist, wobei die Istwerterfassung mit Wegsensoren erfolgt und die Kraftsensoren (8) Kontrollzwecken dienen.

8. Untersuchungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Wegregeleinrichtung (10) aus einer Ansteuerungseinrichtung für die Hydraulikzylinder (3, 4) sowie einem optischen X-Y-Positionssensor (12) besteht, der den Leuchtpunkt einer an beliebiger Stelle der Materialprobe (7) angebrachten Leuchtdiode (11) erfaßt.

9. Untersuchungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Krafteinleitungselemente (6) über Klemmbacken (13) aus verstärkten Winkelprofilen verfü­ gen, die paarweise mit einem Einspannkopf (14) verschraubt und untereinander getrennt sowie verschiebbar mittels Nadelkäfigen (15) auf Führungsschienen (16) angeordnet sind, welche an den Kraftübertragungselementen (5) befestigt sind.

10. Untersuchungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen zur Erzeu­ gung statischer und/oder dynamische Kräfte für die mechanische Belastung der Materialprobe (7) aus elektrischen bzw. pneumati­ schen Stellvorrichtungen bestehen.