DE3707102C2

DE3707102C2 -

Info

Publication number: DE3707102C2
Application number: DE19873707102
Authority: DE
Inventors: Rainer Dr.-Ing. Habil. 7250 Leonberg De Blum
Original assignee: Individual
Current assignee: Schenck Panel Production Systems GmbH
Priority date: 1987-03-05
Filing date: 1987-03-05
Publication date: 1989-06-01
Also published as: DE3707102A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Bestimmung der dynamischen elastischen und inelastischen Eigenschaften wie E-Modul, Querdehnzahl und Dämpfung, also der Qualität von Materialien in zumindest zweifach gelagerten Körpern mit gleichbleibenden geometrischen Abmessungen, wie insbesondere Preßspan- oder Gipsplatten, durch Ausmessen der Schwingungs antwort auf eine Erregung durch ein Gleitsinus- oder Rausch signal und die Bestimmung der Resonanzeigenschaften mit Hilfe dieser Schwingungsantwort.

Grundsätzlich gilt, daß es eine Korrelation zwischen dem dy namisch oder statisch gemessenen Elastizitätsmodul und der Festigkeit bei Materialien der betrachteten Gattung gibt.

Zur Messung des Elastizitätsmoduls hat man nun verschiedene Möglichkeiten. Prinzipiell kann man statische und dynamische Methoden unterscheiden:

Im statischen Fall wird der gesamte Körper oder ein herausge schnittenes Teilstück, der Prüfling, belastet. Eine zu dieser Belastung charakteristische Durchbiegung wird bestimmt und in Beziehung gesetzt zur aufgebrachten Last. Bei großen Körpern, ist es aber in der Regel nicht möglich, sie ganz zu belasten, man kann die Zerstörung nicht vermeiden. Somit wird die Be stimmung nur in wenigen Exemplaren möglich, eine kontinuier liche Kontrolle ist nicht gegeben.

Bei der dynamischen Methode muß man einmal je nach der zeit lichen Art der Bewegung unterscheiden zwischen den verschie denen Meßmethoden und einmal, je nach der Bewegung des Kör pers zwischen den verschiedenen Schwingungsmoden.

Im ersten Fall kann man differenzieren zwischen transienten und periodischen Vorgängen:

Als transient werden Vorgänge bezeichnet, bei denen sich ein Bewegungszustand durch den Körper einmalig ausbreitet und sich nicht wiederholt. Erreicht der Bewegungszustand erst ei nen Punkt 1 und dann einen Punkt 2, so hängt die Veränderung des Bewegungszustandes auf dem Wege von 1 nach 2 davon ab, welche Eigenschaften der Werkstoff zwischen diesen beiden Punkten hat. Kann das Signal in beiden Punkten gemessen wer den, so ist es möglich, aus dem Unterschied Rückschlüsse auf die Werkstoffeigenschaften zwischen diesen beiden Punkten zu ziehen. Auf die Eigenschaften an anderer Stelle kann damit aber nicht geschlossen werden.

Als stationär werden Vorgänge bezeichnet, in denen ein be stimmter, von Ort zu Ort durchaus unterschiedlicher Bewe gungszustand sich periodisch wiederholt. Dieser Bewegungszu stand hängt nun von den Eigenschaften des Werkstoffes in al len Körperpunkten und zusätzlich je nach Schwingungsmode von den Auflagerbedingungen ab.

Im zweiten Fall kann man bei den hier im Vordergrund stehen den plattenförmigen Körpern im Wesentlichen differenzieren zwischen Schwingungsmoden in der Plattenebene und solchen senkrecht dazu, den sogenannten Biegeschwingungen.

Hier muß erwähnt werden, daß in den "Annalen der Physik", 5. Folge, Band 11 Heft 8, Seite 905-949 ein Verfahren zur Be stimmung der elastischen Eigenschaften von Stäben aus ferro magnetischem Material beschrieben wird. Zur Bestimmung der Materialeigenschaften werden dort ausschließlich Longitudi nalschwingungen, d. h. Schwingungen mit Bewegungen in der Stabachse, verwendet. Diese Longitudinalschwingungen sind in einem ferromagnetischen Material sehr einfach durch ein zeit lich veränderliches Magnetfeld anzuregen. Die Bewegungsrich tung der einzelnen Stabelemente ist hier, wie oben schon er wähnt, parallel zur Stabachse. Bei einer Unterstützung des Meßobjektes senkrecht zur Stabachse, wie sie in dem Artikel gewählt ist, wird diese Bewegung parallel zur Stabachse bei sorgfältiger glatter und reibungsfreier Ausführung der Lager flächen nicht oder nur unwesentlich gestört, da die Bewe gungsrichtung und die Richtung der Auflagerreaktionen senk recht zueinander stehen. Es wird also nach dem Stand der Technik bei der Untersuchungsmethode die sich einstellende Eigenform nicht von den Auflagern beeinflußt. Die Eigenfre quenz kann in reproduzierbarer Weise gemessen werden. Folge richtig wird daher in diesem Artikel die Entfernung zwischen den Schneiden S 1 und S 2 und ihre genaue Anordnung in bezug auf die Stablänge weder erwähnt noch definiert.

Die Schwingungsmoden in der Plattenebene aber können bei den in Frage kommenden Untersuchungsobjekten wegen ihrer Größe praktisch nicht angeregt werden. Eine elektromagnetische An regung kommt nicht in Betracht, eine mechanische Anregung kann nur punkt- oder linienförmig in Richtung der Plattenebe ne aufgebracht werden. Damit leitete man konzentriert große Kräfte ein und würde den Untersuchungsgegenstand lokal zer stören.

Somit kommen für die Untersuchung von Körpern nach der Gat tung nur Biegeschwingungen in Betracht. Wie schon oben er wähnt, sind diese Biegeschwingungen verbunden mit einer Bewe gung der einzelnen Plattenelemente senkrecht zur Plattenflä che. Die unverzichtbare unterstützende Lagerung beeinflußt eine solche Bewegung, da sie Zwänge parallel zur Bewegungs richtung der Plattenelemente ausübt. Daher wird das Schwin gungsverhalten eines Prüflings nach der Gattung außer von den Materialeigenschaften noch wesentlich von der Lagerung mitbe stimmt. Versucht man nun mit mechanischen Mitteln in bestimm ten Linien Ruhe zu erzwingen, erhält man wegen der unvermeid lichen Ungenauigkeiten der Platte unkontrollierbare Wechsel wirkungen zwischen dem Schwingungsobjekt Platte und den Auf lagern und damit nicht reproduzierbare Meßergebnisse.

Weiter kommen nur Messungen unter Gleitsinus- oder, was dem gleichzustellen ist, unter Rauscherregung in Betracht, da in diesem Falle alle Punkte von Körpern der Gattung in der Schwingungsantwort berücksichtigt werden. Man erhält damit also eine integrale Aussage über die Eigenschaften in allen Plattenpunkten.

Der Erfindung liegt also die Aufgabe zugrunde, eine Möglich keit zu finden, wie diese dynamischen Wechselwirkungen für die Biegeschwingung im stationären Fall zum Verschwinden ge bracht werden können, womit die Messung reproduzierbar ge macht wird.

Ausgehend von dem Verfahren oben genannter Art liegt die Lö sung der gestellten Aufgabe darin, daß

a) zuerst die Eigenform und die zugehörigen Knotenlinien der möglichen freien Eigenschwingungen des Körpers be rechnet werden, daß
b) aus der resultierenden Vielfalt eine geeignete freie Form mit zugehöriger Resonanzfrequenz ausgewählt wird, daß
c) der zu untersuchende Körper über seine Länge in den Knotenlinien dieser freien Schwingung oder nur einigen der Knotenlinien davon gelagert wird, daß
d) der Körper senkrecht zu seiner Länge zu den Resonanz schwingungen erregt wird.

Dabei wird von der Erkenntnis ausgegangen, daß jeder schwin gende Körper charakteristische Eigenformen auch dann besitzt, wenn er nirgends gelagert ist, d. h. wenn er frei schwingen kann. In diesen Moden würde der Körper schwingen, wenn er sich kräftefrei im Weltraum befände. In diesen sogenannten freien Moden bilden sich nun Knotenlinien aus, die dadurch definiert sind, daß bei der entsprechenden Schwingung hier Ruhe herrscht. Wird ein Körper nun vorzugsweise genau in die sen Knotenlinien gelagert, so gibt es keine dynamischen Wech selwirkungen zwischen Körper und Auflager mehr. Damit ver schwindet der Einfluß der Auflager auf das Schwingungsgesche hen für die entsprechende Mode und somit auch der Einfluß eventueller Ungenauigkeiten sowohl in der Körpergeometrie wie in der Lageranordnung. Die Schwingungsantwort auf eine Erre gung mit dem entsprechenden Frequenzinhalt ist also unabhän gig von den Auflagerbedingungen, er ist nurmehr abhängig von den Körperabmessungen und der Qualität des verwendeten Werk stoffes. Die Meßergebnisse sind folglich reproduzierbar und können zur Bestimmung der Materialeigenschaften verwendet werden. Dies gilt dann nicht nur für den einen Körper, son dern für alle Körper dieser Art, so daß nacheinander eine Vielzahl solcher Körper untersucht und deren Materialeigen schaften schnell festgestellt werden können. Dieses Verfahren ist bei vielerlei Materialqualitätskontrollen anwendbar, hier sei die von Preßspanplatten hervorgehoben.

Die grundsätzliche Idee nach der Erfindung kann vielfältig ausgebaut werden. Es ist zweckmäßig, bei flächenförmigen Ab messungen den Körper linienförmig zum Beispiel auf Auflager leisten, die sich genau entlang der errechneten Knotenlinien erstrecken, zu lagern. Es kann aber auch ein Luftkissen zur Lagerung infrage kommen, indem Luft von unten gegen den Kör per geblasen wird und er damit in Schwebe gehalten wird.

Die Erregung der Biegeschwingung sollte punktförmig auf den Körper wirken, und zwar exakt in einem Schwingungsbauch der errechneten Eigenform. Die Erregung kann mechanisch oder durch Luft übertragen werden. Hier bietet sich ein Lautspre cher oder dergleichen an.

Die zur Duchführung des Verfahrens notwendige Vorrichtung ist im Prinzip einfach, sie muß lediglich ausgerichtete Un terstützungselemente wie Leisten oder dgl. aufweisen, die exakt an die errechneten Knotenlinien angepaßt werden können. Der Erreger ist dann genau im Schwingungsbauch anzubringen.

Claims

1. Verfahren zur Bestimmung der elastischen Eigenschaften, wie E-Modul, Querdehnzahl und Dämpfung, also der Qualität von Materialien in zumindest zweifach gelagerten Körpern mit gleich bleibenden geometrischen über eine Länge sich erstreckenden Abmessungen, wie insbesondere Preßspannplatten, durch Ausmessen der Schwingungsantwort auf eine Erregung durch ein Gleitsinus- oder Rauschsignal und die Bestimmung der Resonanzeigenschaften mit Hilfe dieser Schwingungsantwort, dadurch gekennzeichnet, daß

a) zuerst die Eigenformen und die zugehörigen Knotenlinien der möglichen freien Schwingungen des Körpers über seine Länge berechnet werden,
b) aus der sich ergebenden Vielfalt eine geeignete freie Form mit zugehöriger Resonanzfrequenz ausgewählt wird,
c) der zu untersuchende Körper über seine Länge in den Knotenlinien dieser freien Schwingung oder in nur einigen der Knotenlinien davon gelagert wird, und
d) der Körper senkrecht zu seiner Länge zu den Resonanz schwingungen erregt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei gleichbleibenden Körperabmessungen und gleichbleibender Lagerung das Schwingungsverhalten verschiedener Körper gleicher Her stellungsart untersucht wird.

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1-2, dadurch gekennzeichnet, daß bei flächenförmigen Abmessungen der Körper linienförmig entlang der Knotenlinien der ausgewählten freien Schwingung gelagert wird.

4. Verfahren nach den Ansprüchen 1-2, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper auf einem Luftkissen gelagert wird.

5. Verfahren nach den Ansprüchen 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß die Erregung punktförmig in den Körper eingeleitet wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Erregung in mehreren Punkten entlang einer Linie in den Körper eingeleitet wird.

7. Verfahren nach den Ansprüchen 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß die Erregung durch einen Schwingungserreger in direktem Kontakt mit dem Körper eingeleitet wird.

8. Verfahren nach den Ansprüchen 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß die Erregung durch Luftschwingungen eines Lautsprechers mittels Luftankopplung in den Körper eingeleitet wird.

9. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-8, mit einem Traggestell mit mindestens zwei Unterstützungselementen und einem Schwingungs erreger, dadurch gekennzeichnet, daß die Unterstützungselemente allein an den Stellen der errechneten Knotenlinien der freien Formen nebeneinander angeordnet sind und der Schwingungserreger zur Erzeugung von Schwingungen senkrecht zur Längserstreckung senkrecht zum Körper ausgerichtet ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Unterstützungselemente als Auflagerleisten ausgebildet sind.

11. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Unterstützungselemente als ein zum Körper offenes hydraulisches oder pneumatisches Kissen ausgebildet sind.

12. Vorrichtung nach den Ansprüchen 9-11, dadurch gekennzeichnet, daß ein oder mehrere Schwingungserreger von unten gegen den Körper gerichtet sind und unmittelbar am Körper anliegen.

13. Vorrichtung nach den Ansprüchen 9-11, dadurch gekennzeichnet, daß zur Untersuchung des Körpers ein oder mehrere die Luft in Schwingung versetzendes Gerät wie Lautsprecher od. dgl. dem Körper mit Abstand zugeordnet ist.

14. Vorrichtung nach den Ansprüchen 9-13, dadurch gekennzeichnet, daß der Erreger in der Mitte zwischen zwei Unterstützungselemen ten angeordnet ist.