DE4220544A1

DE4220544A1 - Verfahren zum Messen mechanischer Spannungskomponenten an der Oberfläche von dynamisch belasteten Meßobjekten

Info

Publication number: DE4220544A1
Application number: DE19924220544
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dipl Ing Feickert
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1992-06-24
Filing date: 1992-06-24
Publication date: 1994-01-05
Anticipated expiration: 2012-06-25
Also published as: DE4220544B4

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Messen me chanischer Spannungskomponenten an der Oberfläche von dynamisch belasteten Meßobjekten durch Messen der Temperatur.

Aus dem Stande der Technik ist es bekannt, sich zur Messung mechanischer Spannungen den thermoelasti schen Effekt zunutze zu machen, demzufolge im Falle mechanischer Beanspruchungen im elastischen Bereich eine reversible Umwandlung zwischen mechanischen und thermischen Energien stattfindet. Unter adiaba tischen Bedingungen ist die reversible Tempera turänderung proportional von den auftretenden me chanischen Spannungen, genauer der Änderung der Summe der Hauptspannungen.

Mit der Temperaturänderung geht eine Änderung der Emission der Infrarotstrahlung einher, die sich mit Hilfe einer Thermokamera erfassen läßt. Dieses Prinzip gestattet durch Erfassen der Temperaturän derung, beispielsweise durch Messung der IR-Strah lungsemission und folglich auch die Änderung der Summe der Hauptspannungen bei dynamischen Belastun gen und insbesondere auch Schwingungen berührungs los zu erfassen. Als entscheidender Nachteil ist anzusehen, daß die Temperaturänderung allein die Änderung der Summe der Hauptspannungen angibt, ohne hieraus die Größe der einzelnen Komponenten bestim men zu können.

Erstmalig wurde in der auf den gleichen Anmelder zurückgehenden DE-OS P 35 41 707.2 zur Erfassung einer einzelnen Spannungskomponente die Verwendung eines Streifens vorgeschlagen, der kraftschlüssig an der Oberfläche des Meßobjektes befestigt und dessen IR-Emission die in Richtung des Streifens verlaufende Spannungskomponente angibt. Die Genau igkeit der hierbei erhaltenen Meßwerte läßt jedoch aus den nachfolgend im einzelnen geschilderten Gründen zu wünschen übrig.

Um tatsächlich die in Richtung des Streifens ver laufende Spannungskomponente zu erfassen, ist unab dingbar, daß die im Meßobjekt senkrecht zur Achse des Streifens verlaufenden Spannungen nicht zur Oberfläche des Streifens gelangen dürfen, da an dernfalls diese Komponente das Ergebnis verfälschen würden. Eingehende Überlegungen zeigen, daß zur Vermeidung dieser nachteiligen Einflüsse die Höhe des Streifens größer als dessen Breite gewählt wer den muß.

Als weitere Bedingung kommt hinzu, daß die Breite des Streifens mindestens so groß wie das Auflö sungsvermögen der Thermokamera zu wählen ist. Das Ergebnis ist eine nicht unerhebliche Höhe des Streifens, der zu einem Nachfolgen der Dehnungsän derungen des Meßobjektes nur unvollständig in der Lage ist.

Als weitere Nachteile sind anzusehen, daß die Span nungskomponente nur in Richtung des aufgebrachten Streifens und zudem nur in Längsrichtung gemessen und erfaßt werden kann.

Hiervon ausgehend hat sich die Erfindung die Wei terentwicklung und Verbesserung des auf den glei chen Erfinder zurückgehenden Verfahrens dahingehend zur Aufgabe gemacht, daß eine wesentlich genauere Erfassung und Messung einzelner Spannungskomponen ten möglich wird.

Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch, daß zunächst eine Meßfolie mit anisotropen Eigen schaften dehnungsschlüssig an dem Meßpunkt auf das Meßobjekt aufgebracht wird, deren Materialkonstan ten bekannt sind und bei Spannungsbelastung des Meßobjektes die Temperatur der Meßfolie am Meßpunkt ermittelt wird und schließlich nach den Formeln

dT= - (T/δ · C_v) · (C_jjkl α_kl) dε_ÿ

ausgewertet wird, wobei:
T = die mittlere Temperatur des Meßobjektes,
δ = dessen Dichte,
Cv = die spezifische Wärme,
ε_ÿ = die Dehnung und
dε_jj = die Änderung der Dehnung
C_ÿkl = der Steifigkeitstensor
α_kl = der Wärmeausdehnungskoeffizient
dT = die gemessene Temperaturänderung ist
und zwischen Dehnung ε und Spannung σ Proportiona lität oder zumindest tensorielle Abhängigkeit be steht (1. Messung),
daß die Meßfolie am Meßpunkt gegenüber der vorheri gen Position gedreht wird und die vorbeschriebene Messung erneut durchgeführt wird (2. Messung) und schließlich entweder die Temperatur des Objektes ohne Meßfolie unter Spannungsbelastung ermittelt oder die Meßfolie am Meßpunkt gegenüber den beiden vorherigen Positionen erneut gedreht und die vorbe schriebene Messung nochmals durchgeführt wird (3. Messung).

Bei der Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens steht die Ermittlung der Spannungskomponenten im Vordergrund. In den obigen Gleichungen hingegen sind die Dehnungen ε angegeben. Aufgrund der in der Regel zwischen Dehnung und Spannung bestehenden Proportionalität lassen sich auch aufgrund der obi gen Beziehungen die einzelnen Spannungskomponenten ermitteln. Im allgemeinsten Fall besteht eine ten sorielle Zuordnung zwischen Dehnung und Spannung, die durch das Material vorgegeben ist und deshalb kein grundsätzliches Problem bei der Anwendung des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahrens dar stellt.

Die Vorgehensweise ist wie folgt:

Zunächst wird an einer bestimmten Stelle des Meßob jektes, an der die Spannung zu ermitteln gewünscht wird, eine anisotrope Folie dehnungsschlüssig mit dem Meßobjekt verbunden und das Meßobjekt unter An wendung der Kraftverhältnisse in den Spannungszu stand versetzt. Die Folie wird bei Bewegungen der Oberfläche des Prüflings aufgrund ihrer dehnungs schlüssigen Anbringung mitgeführt und in gleicher Weise unter Spannung gesetzt und die Temperatur der Folie ermittelt.

Nachdem diese Messung erfolgt ist, wird zur Ermitt lung der weiteren Spannungskomponenten die Meßfolie im Meßpunkt gedreht und das vorbeschriebene Meßver fahren in im übrigen völlig identischer Weise durchgeführt. Hierdurch erfolgt die 2. Messung.

Zur Durchführung der 3. Messung stehen schließlich zwei Alternativen zur Wahl:

Entweder kann die Meßfolie erneut gedreht werden und hierbei in eine von den beiden ersten Messungen abweichende Position gebracht werden, im übrigen jedoch das vorbeschriebene Meßverfahren auf die gleiche Art und Weise durchgeführt werden.

In einer Alternative hierzu ist es möglich, im Meß punkt am Meßobjekt selbst ohne Meßfolie unter der gleichen Spannungsbelastung die Temperatur zu er fassen.

Im Ergebnis werden drei Messungen durchgeführt, die eine Bestimmung der drei gesuchten Komponenten, bei denen es sich an der Oberfläche um zwei Normaldeh nungen und eine Schubdehnung handelt. In den auf grund der vorgeschilderten Zusammenhänge equivalen ten Spannungen wird der Spannungszustand durch zwei Normal- und eine Schubspannung in seiner Gesamtheit beschrieben.

Die Vorgehensweise ist damit vergleichbar bei der Verwendung von Dehnungsmeßstreifen, die ebenfalls das Durchführen dreier Einzelmessungen erforderlich machen.

Im Rahmen der Anwendung des erfindungsgemäßen Ver fahrens steht grundsätzlich frei, welcher Punkt auf der Oberfläche der Meßfolie konkret gemessen wird. Natürlich ist erforderlich, daß die beiden zur Be rechnung der Spannungskomponenten benötigten Daten an derselben Position des Meßobjektes gewonnen wer den. Es ist ohne weiteres möglich, mehrere Meß punkte (mit und ohne Meßfolie) nach Art eines Ra sters abzufragen und paarweise miteinander zu ver gleichen. Die einzelnen Punkte im Bereich der Meß folie sind gleichwertig.

Ein weiterer entscheidender Vorzug vorliegender Er findung ist, daß die Folie im Vergleich zum Stande der Technik außerordentlich dünn gewählt werden kann und deshalb nach dem Aufbringen problemlos ist, keine nennenswerte Beeinflussungen ausübt und außerdem den Bewegungen des Meßobjektes unmittelbar und direkt folgen kann. Eine Mindestdicke, entspre chend den aus dem Stande der Technik bekannten Überlegungen gibt es nicht.

Die Meßfolie kann beliebig dünn gewählt werden und wird nur dadurch begrenzt, daß die Wärme und IR- Emission des Meßobjektes nicht in nennenswerter Weise die Folie durchdringen und sich die Ergeb nisse verfälschend überlagern. Die Mindestdicke der Folie hängt somit von den konkreten physikalischen Verhältnissen während der Messung ab und wird von vielerlei Einflüssen, u. a. von der Frequenz der Schwingungen bestimmt. Die Vorteile gegenüber der Verwendung von Dehnungsmeßstreifen bestehen darin, daß ein flächenhaftes, d. h. in zwei Komponenten er folgendes Messen möglich ist, wohingegen bei Meß streifen eine Meßwerterfassung nur in einer Linie erfolgen kann.

Die Einsatzmöglichkeiten des vorgeschlagenen Ver fahrens zur Messung von Spannungskomponenten an der Oberfläche von Meßobjekten sind vielfältig. Es eignet sich zur Spannungsmessung in allen Bereichen des Maschinenbaus, insbesondere in Kraftwerk- und Transporttechnik, der Luft- und Raumfahrt, der Wehrtechnik, im Kraftfahrzeug- und Schiffsbau, im Apparatebau, bei der Überprüfung und Überwachung von Brücken und anderer Gebäude sowie bei der Her stellung medizinischer Implatate und Prothesen. Es kann zur Analyse, Konstruktionsoptimierung, zu Qua litätskontrollen und Ermüdungsstudien sowie zur Ma terialprüfung, insbesondere zur Rißdetektion und Schadensfrüherkennung eingesetzt werden. Das Ver fahren ist für alle Konstruktionen und Materialien ohne Einschränkungen einsetzbar.

Im Rahmen der Erfindung steht grundsätzlich frei, auf welche Art und Weise die Erfassung der Tempera tur von Meßfolie oder Meßobjekt erfolgt. Sie kann beispielsweise durch berührendes Messen durch Auf bringen eines Meßfühlers, beispielsweise in der Art eines Thermoelementes erfolgen. Bevorzugt ist je doch die berührungslose Temperaturerfassung, bei der man die durch die Temperatur des Meßobjektes bzw. Meßfolie hervorgerufene und in Intensität und spektraler Zusammensetzung durch die Temperatur be stimmte Infrarot-Strahlungsemission ausnutzt. Durch Verwendung einer Thermokamera läßt sich über Erfas sen der IR-Strahlungsemission die Temperatur des Meßobjektes berührungslos ermitteln.

Aus den Materialeigenschaften ergeben sich bei or thotropen Materialien für Meßobjekt oder Meßfolie - die Spannungskomponenten spannen dann ein rechtwin keliges Koordinatensystem auf - bei einer Messung an der Oberfläche (zweiaxialer Spannungszustand) folgende Zusammenhänge:

ΔT^O = k₁ ^*O Δε₁ + k₂ ^*O Δε₂
ΔT^B = k₁ ^*B Δε₁ + k₂ ^*O Δε₂

wobei k_i ^* die Materialkonstanten von Meßobjekt O oder Meßfolie B sind.

Bei einem isotropen Meßobjekt sind k₁ ^*O =k₂ ^*O.

Die Werte k_i ^*O/B sind als Materialkonstanten ihrem Wert nach bekannt. Durch zweimalige Messung, d. h. mit und ohne Beschichtung bzw. Meßfolie lassen sich die Werte ΔT^O (ohne Meßfolie) und ΔT^B (mit Meßfolie) ermitteln.

Man erhält demzufolge zwei Gleichungen mit zwei Un bekannten, die die Bestimmung der Werte ε entspre chend dieser Gleichung zulassen.

Die Anwendbarkeit des anmeldungsgemäßen Meßverfah rens wird durch die Art des Materials nicht einge schränkt, so daß es für alle für das Meßobjekt ver wendete Materialien (anisotrop, orthotrop, isotrop) verwend- und einsetzbar ist.

Im Hinblick auf Aufbau und Herstellung der konkret eingesetzten Meßfolie bestehen im Rahmen der Erfin dung keine grundsätzlichen Einschränkungen. So emp fiehlt sich vorgereckte Kunststoffolien einzuset zen, bei denen durch einen Dehnungsvorgang in einer Richtung anisotrope, in der Regel orthotrope Eigen schaften erzeugt werden.

Eine andere Möglichkeit besteht im gerichteten Ein bringen von Fasern in Kunststoff, so daß sich in den verschiedenen Raumrichtungen unterschiedliche elastische Eigenschaften ergeben. Als Fasern kommen Glasfasern, Kohlefasern und anderes in Betracht.

Von besonderem Interesse ist der Einsatz von Flüs sigkristallen (LCP = liquid cristal polymer), die extreme anisotrope Eigenschaften besitzen.

Die Verbindung zwischen Folie und Meßobjekt ist, sofern sie dehnungsschlüssig erfolgt, beliebig. Es können beispielsweise Klebstoffe mit hinreichend dünnem Auftrag eingesetzt werden.

Das Meßverfahren zielt darauf ab, die Spannung an der Oberfläche des Prüflinges zu ermitteln, also einen durch drei Spannungskomponenten (zwei Normal- und eine Schubspannung) beschriebenen ebenen Span nungszustand zu erfassen, welcher durch einen Span nungstensor beschrieben wird, in dem die beiden Diagonalglieder die Normalspannung und die in ihrer Größe gleichen Nebendiagonalglieder die Schubspan nungen angeben. In an sich bekannter Weise lassen sich aus diesem Tensor mit Hilfe von Hauptachsen transformationen die beiden Hauptspannungen erhal ten, so daß sämtliche denkbaren Informationen über den Spannungszustand ermittelbar sind.

Während der unter Spannungsbelastung erfolgenden Messungen ergeben sich aufgrund der unterschiedli chen Materialien an Meßfolie und Meßobjekt ver schiedene Temperaturen. Demzufolge können zwischen Meßfolie und Meßobjekt Wärmeübergänge stattfinden, die zu Verfälschungen des Meßergebnisses Anlaß ge ben. Aus diesem Grund ist bevorzugt, auf der dem Meßobjekt zugewandten Fläche der Meßfolie eine wär meisolierende Schicht anzubringen. Sie bewirkt eine Unterbrechung des Wärmeflusses zwischen Folie und Meßobjekt und trägt Sorge dafür, daß es nicht - aufgrund von Wärmefluß - zu Verfälschungen der Meß resultate kommt.

Claims

1. Verfahren zum Messen mechanischer Spannungskom ponenten an der Oberfläche von dynamisch belasteten Meßobjekten durch Messen der Temperatur, dadurch gekennzeichnet, daß zunächst eine Meßfolie mit an isotropen Eigenschaften dehnungsschlüssig an dem Meßpunkt auf das Meßobjekt aufgebracht wird, deren Materialkonstanten bekannt sind und bei Spannungs belastung des Meßobjektes die Temperatur der Meßfo lie am Meßpunkt ermittelt wird und schließlich nach den Formeln dT= - (T/δ · C_v) · (C_jjkl α_kl) dε_ÿausgewertet wird, wobei:
T = die mittlere Temperatur des Meßobjektes,
δ = dessen Dichte,
Cv = die spezifische Wärme,
ε_ÿ = die Dehnung und
dε_jj = die Änderung der Dehnung
C_ÿkl = der Steifigkeitstensor
α_kl = der Wärmeausdehnungskoeffizient
dT = die gemessene Temperaturänderung ist
und zwischen Dehnung ε und Spannung σ Proportiona lität oder zumindest tensorielle Abhängigkeit be steht (1. Messung),
daß die Meßfolie am Meßpunkt gegenüber der vorheri gen Position gedreht wird und die vorbeschriebene Messung erneut durchgeführt wird (2. Messung) und schließlich entweder die Temperatur des Objektes ohne Meßfolie unter Spannungsbelastung ermittelt oder die Meßfolie am Meßpunkt gegenüber den beiden vorherigen Positionen erneut gedreht und die vorbe schriebene Messung nochmals durchgeführt wird (3. Messung).

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß die Ermittlung der Temperatur berührungs los durch Messung der Infrarot-Strahlungsemission erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch die Verwendung orthotroper Werkstoffe für Meßobjekt O und/oder Meßfolie B mit folgenden Zu sammenhängen bei Messung an der Oberfläche: ΔT^O = k₁ ^*O Δε₁ + k₂ ^*O Δε₂
ΔT^B = k₁ ^*B Δε₁ + k₂ ^*O Δε₂wobei k_i ^* die Materialkonstanten von Meßobjekt O oder Meßfolie B sind.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, ge kennzeichnet durch eine vorgereckte Kunststoffolie als Meßfolie.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, ge kennzeichnet durch eine Meßfolie, die aus Kunst stoff mit parallel angeordneten Fasern, insbeson dere aus Glas und Kohlenstoff, besteht.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da durch gekennzeichnet, daß die Meßfolie ein Flüssig kristall (LCP) ist.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, da durch gekennzeichnet, daß die Meßfolie auf das Meß objekt aufgeklebt wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, da durch gekennzeichnet, daß die Meßfolie auf der am Meßobjekt anliegenden Fläche mit einer wärmeisolie renden Schicht versehen ist.