DE3617455C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Untersuchungsvorrichtung zur zwei­ achsigen statischen und/oder dynamischen Belastung von flächen­ haften Bauteilen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

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 Bauteilproben aus den obengenannten 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.

Aus der Patentschrift DE 32 25 381 C2 ist eine Einrichtung zur Prüfung der Belastbarkeit ebener Proben bekannt, mit der aufgrund einer besonderen Ausgestaltung sogenannter Lenkerbleche eine kreuzförmig geschnittene Probe einer Zug- und Druckbelastung aus­ gesetzt werden kann. Dazu werden die vier Enden der Probe jeweils in einer Aufnahmevorrichtung eingespannt. Eine Aufnahmevorrich­ tung pro Belastungsrichtung ist dabei über ein Lenkerblech und einem Hebelarm mit einem servohydraulischen Prüfzylinder verbun­ den, während die Einspannvorrichtung auf der gegenüberliegenden Seite über eine Kraftmeßdose mit einem zweiten Hebelarm verbunden ist. Ein Prüfzylinder pro Belastungsrichtung verbindet die beiden Hebelarme und kann so Kräfte auf dem Prüfling ausüben. Die Reak­ tionskräfte der Prüfkräfte werden von einem Maschinenbett (X- und Y-Bett) aufgenommen, mit denen die Prüfzylinder und die diesen zugeordneten Kraftmeßdosen verbunden sind.

Nachteilig bei dieser Einrichtung ist, daß nur Probekörper ver­ wendet werden können, die kreuzförmig zugeschnitten sind. Zudem erlaubt diese Einrichtung im Einspannbereich der Probe keine Querkontraktionsfreiheit, weshalb Prüflinge mit großer Seiten­ länge wie z. B. Bauteile oder Bauteilstücke nicht geprüft werden können. Ein weiterer Nachteil ist, daß der zu untersuchende Probenbereich auf die Probenmitte beschränkt ist und nur für diesen Bereich mit der vorgestellten Einrichtung ein "Auswandern" verhindert werden kann.

Den letztgenannten Nachteil weist auch die in einer weiteren Druckschrift (JP 60-1 61 542 (A) In: Patent Abstr. of Japan, Sect. P. Vol. 10, Nr. 3, 1986) vorgestellte Einrichtung zur Prüfung von kreuzförmig geschnittenen Probekörpern auf. Auch hier befindet sich der Mittelpunkt des Probekörpers über dem Schnittpunkt der Lastwirkrichtung von kreuzförmig angeordneten Hydraulikzylindern, deren Krafteinleitungselemente starr mit den Probekörperenden verbunden sind. Eine Positionierungseinrichtung erlaubt, wenn Probenmittelpunkt und Anlagenmittelpunkt übereinanderliegen, daß in beiden Belastungsrichtungen auf je zwei Seiten des Probekör­ pers jeweils die Hälfte der Gesamtdehnung des Probenkörpers auf­ genommen wird. Da die Hydraulikzylinder fest eingespannt und mit der Probe starr verbunden sind, ist keine Möglichkeit offenbart, eine Querkontraktion der Probe, welche auch unsymmetrisch in bezug auf den Probenmittelpunkt sein kann, zuzulassen und dennoch einen bestimmten Punkt der Probe an einem "Auswandern" von seinem Ursprungsort abzuhalten.

Aufgabe der Erfindung ist es daher eine Untersuchungsvorrichtung vorzustellen, die zur Ermittlung der Spannungsverteilung bei ebenen Flächenträgern geeignet ist und mit der bruchmechanische Kennwerte sowie das Rißverhalten zweiachsig statisch und/oder dy­ namisch belasteter flächenhafter Bauteile bestimmt werden können. Dazu sollen die Bauteile momentenfrei und querkontraktionsfähig einspannbar sein und eine Positionierungseinrichtung soll es erlauben, daß ein beliebiger Punkt des zu untersuchenden Bauteils trotz mechanischer oder dynamischer Belastung seinen Ursprungsort nicht verläßt. Die in dieser Einrichtung untersuchbaren Bauteils trotz mechanischer oder dynamischer Belastung seinen Ursprungsort nicht verläßt. Die in dieser Einrichtung untersuchbaren Bauteile sollen in ihren Abmessungen und ihrer Formgebung über den bisher üblichen Labormeßstab für genormte Materialproben (Normkörper) hinausgehen und in der Regel Bauteile mit vergleichsweise großen Kantenlängen sein.

Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist dem kennzeichnen­ den Teil des Anspruchs 1 zu entnehmen. Vorteilhafte Ausgestaltun­ gen und Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen ausgeführt.

Zur Erläuterung der Erfindung sind der Beschreibung Zeichnungen beigelegt, die eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung dar­ stellen. Im einzelnen zeigt

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

Fig. 2 ein Krafteinleitungselement.

Die Untersuchungsvorrichtung zur zweiachsigen statischen und/oder dynamischen Zug- und/oder Druckbelastung von flächenhaften Bau­ teilen besteht aus einer biegesteifen kreuzförmigen Metallkon­ struktion, auf deren vier Schenkeloberseiten jeweils ein Lager­ bock zur Aufnahme von jeweils einem Hydraulikzylinder 1 bis 4 vorhanden ist, wobei die Hydraulikzylinder 1, 2, 3, 4 die erforder­ lichen Kräfte für die Bauteilbelastung erzeugen. In einer vor­ teilhaften 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 Bauteil­ größe beträgt bei dieser Auslegung der Untersuchungsvorrichtung 0,57 × 0,57 m² ohne Einspannungsbereiche.

Zur Untersuchung eines Bauteils 7 wird diese so in die Untersu­ chungsvorrichtung eingespannt, daß ihr flächenbezogener Mittel­ punkt den Kreuzungspunkt der Kraftwirklinien der vier Hydrau­ likzylinder 1, 2, 3, 4 markiert. Die Einspannung des Bauteils 7 er­ folgt an ihren vier Seiten mit Hilfe von jeweils einem Kraftüber­ tragungselement 5, die mit den Hydraulikzylindern 1, 2, 3, 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 Bauteil­ länge als gleichmäßige Last verteilt. Die Einspannung des Bau­ teils 7 erfolgt dabei momentenfrei. Damit die Bauteile sowohl statischen als auch dynamischen Belastungen in Zug- und/oder Druckrichtung unterworfen werden können und dabei die Querkon­ traktionsfähigkeit des Bauteils 7 erhalten bleibt, wird die Akti­ vität der vier Hydraulikzylinder 1 bis 4 von Regelungseinrich­ tungen bestimmt. Auf jeder der beiden Belastungsachsen der Unter­ suchungseinrichtung wird dabei ein Hydraulikzylinder kraftabhängig (Hydraulikzylinder 1 und 2), sowie der gegenüberliegende Hydrau­ likzylinder (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 dem X-Y- Positionssensor 12 für das Bauteil 7 sowie aus Ansteuerungseinrichtungen für die Betätigung der Hy­ draulikzylinder 1 bis 4. Auf der kraftgeregelten Seite der Unter­ suchungsvorrichtung werden an den Hydraulikzylindern 1 und 2 die auf das Bauteil 7 wirkenden Kräfte durch die Kraftsensoren 8 er­ mittelt, während die Kraftsensoren 8 auf der weggeregelten Seite Kontrollzwecken dienen.

Bei einer Inbetriebnahme der Untersuchungsvorrichtung werden von den kraftgeregelten Hydraulikzylindern 1 und 2 vorgewählte Kräfte auf das Bauteil 7 ausgeübt. Eine auf der Oberfläche des Bauteils 7 mittig oder einem beliebigen Punkt angeordnete Leuchtdiode 11 mit schmalem Leuchtwinkel wird von einem X-Y-Positionssensor 12 in ihrer Ortsveränderung überwacht und die gemessenen Abweichun­ gen von der Ursprungslage der Leuchtdiode an die Wegregeleinrich­ tung 10 übermittelt. Sie verarbeitet diese Informationen so, daß in den beiden Hydraulikzylindern 3 und 4 Reaktionskräfte geweckt werden, die die Verschiebung des Leuchtpunktes des Bauteils 7 rückgängig machen. Hierdurch wird eine momentenfreie Krafteinlei­ tung (Moment auf die Z-Achse M _z = 0) in das Bauteil 7 gewährlei­ stet.

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, 2, 3, 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 Bauteilen 7 ist es möglich, durch un­ terschiedliche Belastungszustände mit Hilfe der weg- und kraft­ geregelten Hydraulikzylinder 1 bis 4 verschiedene Spannungszu­ stände in der zu untersuchenden Bauteile 7 zu realisieren, und die material- und versuchsspezifische Querkontraktion des Prüf­ lings zu gestatten. Die Bauteile 7 können unterschiedliche Ab­ messungen aufweisen und aus unterschiedlichen Materialien, wie z. B. Metall, Metallwaben- oder Faserverbundswerkstoffen bestehen.

Zudem kann ein beliebiger Punkt der Bauteilprobe zur Behinderung der Starrkörperverschiebung des Bauteils herangezogen werden. Dies bedeutet, daß die relative Verschiebung der gegenüberliegen­ den Zylinder in Abhängigkeit der erlaubten unterschiedlichen Dehnsteifigkeiten der Bauteilprobe (z. B. unterschiedliche oder partiell verschiedene Dicken, Risse oder Öffnungen) ungleich groß sein, ohne daß das Wirkprinzip dieser Untersuchungsvorrichtung gestört wird. Der Bauteilprobemittelpunkt muß nicht identisch mit dem Anlagenmittelpunkt sein.

Claims (6)

1. Untersuchungsvorrichtung zur zweiachsigen statischen und/oder dynamischen Zug- und/oder Druckbelastung von flächen­ haften Bauteilen, bestehend aus einer die entstehenden Lasten aufnehmenden biegesteifen, kreuzförmigen Konstruktion, deren Schenkeloberseiten über jeweils einen Lagerbock zur Aufnahme ei­ nes Hydraulikzylinders verfügt, welcher jeweils über ein Kraft­ übertragungselement mit einem Krafteinleitungselement verbunden ist, und bei der das zu untersuchende Bauteil in der Mitte zwi­ schen den vier kreuzförmig angeordneten, und in Kraft und Hubweg elektronisch regelbaren Hydraulikzylindern an vier Seiten momen­ tenfrei und querkontaktionsfähig eingespannt wird, dadurch gekennzeichnet, daß auf jeder der beiden Belastungs­ achsen X-Y der Untersuchungsvorrichtung ein Hydraulikzylinder (1, 2) kraftgeregelt und der gegenüberliegenden Hydraulikzylinder (3, 4) weggeregelt ist, daß jedes Kraftübertragungselement (5) mit mehreren, über die gesamte jeweilige Bauteilseite angeordneten und Einzellasten erzeugenden Krafteinleitungselementen (6) ver­ bunden ist, die jeweils über einen Einspannkopf (14) mit Klemm­ backen (13) verfügen und, wobei diese Einspannköpfe (14) gegen­ einander in einer Richtung verschiebbar sind und daß eine Ortser­ kennungseinrichtung zur Ermittlung der Position des Bauteils (7) vorhanden ist, die mit Hilfe einer Wegregeleinrichtung (10) einen beliebigen Punkt des Bauteils (7) im durch die Belastungsrichtun­ gen X-Y aufgespannten Koordinatensystem fixiert.

2. Untersuchungsvorrichtung nach Anspruch 1, 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.

3. Untersuchungsvorrichtung gemäß den Ansprüchen 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß die kraftgeregel­ te Belastung des Bauteils durch eine weggeregelte Belastung er­ setzt ist, wobei die Istwerterfassung mit Wegsensoren erfolgt und die Kraftsensoren (8) Kontrollzwecken dienen.

4. Untersuchungsvorrichtung gemäß den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Wegregelein­ richtung (10) aus einer Ansteuerungseinrichtung für die Hydraulik­ zylinder (3, 4) sowie einem optischen X-Y-Positionssensor (12) be­ steht, der einen Leuchtpunkt einer an beliebiger Stelle des Bau­ teils (7) angebrachten Leuchtdiode (11) erfaßt.

5. Untersuchungsvorrichtung gemäß den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Krafteinlei­ tungselemente (6) über zwei Klemmbacken (13) aus verstärkten Winkelprofilen verfügen, die paarweise mit einem Einspannkopf (14) verschraubt und untereinander getrennt sowie mittels Nadel­ käfigen (15) auf Führungsschienen (16) verschiebbar angeordnet sind, welche an den Kraftübertragungselementen (5) befestigt sind.

6. Untersuchungsvorrichtung gemäß den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen zur Erzeugung statischer und/oder dynamische Kräfte für die me­ chanische Belastung des Bauteils (7) aus elektrischen bzw. pneu­ matischen Stellvorrichtungen bestehen.