DE626404C

DE626404C - Method and device for dynamic testing of finished structures or parts of structures

Info

Publication number: DE626404C
Application number: DESCH85031D
Authority: DE
Original assignee: Carl Schenck Eisengiesserei und Maschinenfabrick Darmstadt GmbH
Current assignee: Carl Schenck AG
Priority date: 1928-01-06
Filing date: 1928-01-06
Publication date: 1936-02-26

Description

Verfahren und Vorrichtung zur dynamischen Prüfung fertiger Bauwerke oder Bauwerksteile Bei der dynamischen Materialprüfung muß mehr als bei einer anderen Prüfungsart die Beanspruchung der zu prüfenden Teile so genau wie möglich den wirklichen Verhältnissen angepaßt werden. Die Prüfung der Werkstoffe mit Hilfe besonderer Prüfstäbe auf dynamischen Materialprüfmaschinen kann wohl über die grundlegenden dynamischen Festigkeitseigenschaften der Werkstoffe selbst Klarheit geben. Bei der endgültigen Gestalturig und dem Zusammenbau aus einzelnen fertigen Stücken verlaufen die Beanspruchungen jedoch nicht einfach nach den klaren Grundgesetzen, wie sie bei der Untersuchung in den Dauerprüfmaschinen vorausgesetzt werden, vielmehr treten fast stets überlagerte und zusammengesetzte Beanspruchungen auf, die von zusätzlichen Kräften und zahlreichen Nebenschwingungen verursacht werden und sich rechnerisch nicht erfassen lassen. Es ist deshalb notwendig, den fertigen Konstruktionsteil einer die praktischen Verhältnisse möglichst getreu nachahmenden schwingenden Beanspruchung zu unterwerfen.Method and device for dynamic testing of finished structures or structural parts In dynamic materials testing, more must be done than in any other Type of test the stress on the parts to be tested as exactly as possible the real ones To be adapted to the circumstances. The testing of the materials with the help of special test rods on dynamic materials testing machines can probably be about the basic dynamic Strength properties of the materials themselves give clarity. At the final The loads are designed and assembled from individual finished pieces however, not simply according to the clear basic laws, as they are in the investigation are assumed in the endurance testing machines, rather, superimposed ones occur almost always and compound stresses on those of additional forces and numerous Secondary vibrations are caused and cannot be computed. It is therefore necessary to have the finished construction part one of the practical conditions subject as faithfully as possible to imitative vibratory stress.

Zur Untersuchung von Brücken ist es bekannt, durch einen Stoßerreger Schwingungen der Brücke hervorzurufen, die vor jeder neuen Erregung bereits abklingen. Neu ist dagegen die Verwendung mehrerer Erreger zur Erzeugung zusammengesetzter Schwingungen und zur Dauererregung. Bekanntlich führen die aus zahlreichen Einzelstücken zusammengesetzten Bauwerks- oder Maschinenteile, wie Kurbel- o. dgl. Wellen, Fahrzeug- und Flugzeuggestelle (besondersTragflächen), Gitterträger von Brücken, Kranen u. dgl., im Betriebe Schwingungen in der Eigenschwingungszahl des Gebildes aus. Die Erfindung besteht in erster Linie darin, daß zur dynamischen Prüfung solcher Gebilde, insbesondere in oder in der Nähe ihrer Eigenschwingungszahl, mehrere voneinander unabhängige Erreger verwendet werden, die diese Gebilde in Dauerschwingungen versetzen, und daß die Erregerkräfte dabei nach Größe, Taktzahl und Phase derart geregelt werden, daß sie für jedes Prüfgebilde in ein bestimmtes, während der Untersuchung gleichbleibendes Verhältnis zueinander gebracht werden. Die Erregerkräfte läßt man dabei am besten in der Gegend der Schwingungsbäuche der Gebilde angreifen. Die Größe der betriebsmäßig auftretenden Schwingungen und Beanspruchungen kann mit Hilfe besonderer Meßgeräte (Erschütterungsmesser, Dehnungsmesser u. dgl.) mit genügender Genauigkeit ermittelt werden. Welchen Ursprung die die Schwingungen erregenden Kräfte haben, ist an sich gleichgültig. Es können ebensowohl elektrische als elektromagnetische oder mechanische Erregerkräfte (beispielsweise Fliehkräfte) benutzt werden, um die Eigenschwingungen der zu prüfenden Teile hervorzurufen. Wesentlich ist nur, daß- - die - Erreger-- periodisch und in regelbarer Weise an--und abschwellende Kräfte hervorrufen, wobei zweckmäßig auch die Periode, also die Taktzahl der Erregungsvorrichtung, veränderlich ist, um die mechanischen Schwingungen des Erregers der Eigenschwingungszahl jedes zu untersuchenden Gebildes bequem anpassen zu können. Andererseits empfiehlt es sich, die Erregertaktzahl während der Prüfung selbst, gegebenenfalls durch die Erregervorrichtung überwachende Einrichtungen, möglichst genau gleichzuhalten. Die Verbindung zwischen der Erregervorrichtung und dem zu untersuchenden Gebilde kann je nach den praktischen Bedürfnissen ausgestaltet sein. Sie kann ebensowohl starr als in beliebiger Weise elastisch sein, je nachdem dies zur Nachahmung der späteren-Betriebsverhältnisse des zu prüfenden Gebildes wünschenswert erscheint. Auch ob die Erregervorrichtung ein selbständiges Schwingungsgebilde- ist, an welches der zu - prüfende Teil angeschlossen wird, oder ob die Erregervorrichtung erst zusammen mit dem zu prüfenden Gebilde zu Schwingungen befähigt wird, ist-an-sich gleichgültig. Wesentlich ist, daß die Gesamtmasse der Erregervorrichtung möglichst klein gewählt wird, derart, - -daß sie die Schwingungsverhältnisse des zu prüfenden Gebildes nicht wesentlich beeinflußt. -Infolge der erfindungsgemäßen Verwendung mehrerer Erreger, die gemeinsam an dem zu prüfenden Teil angreifen, tritt die Frage auf, wie sich die Kräfte dieser einzelnen Erreger hinsichtlich ihrer Größe und Taktzahl zueinander verhalten. Erfindungsgemäß sind die Erregerkräfte der einzelnen Erreger nach Größe und Takt unabhängig voneinander einstellbar. Dies gilt auch bezüglich der zwischen den einzelnen _ Erregungsamplituden vorliegenden Phasenverschiebung, die den Erfordernissen der Prüfung entsprechend einstellbar ist. Die Erreger- brauchen nicht alle mit gleicher Taktzahl auf das zu prüfende Gebilde einzuwirken. Es ist vielmehr anzustreben, daß sich die im Betrieb des Gebildes bevorzugte Schwingungsform auch während der Prüfung einstellt. Zum Beispiel wird ein Fachwerksträger in den seltensten Fällen einfach Schwingungen ausführen, die lediglich den Grundschwingungen seines Gebildes -entsprechen, vielmehr werden außer der Grundschwingung auch noch Oberschwingungen vorliegen. Um solche Oberschwingungen neben der Grundschwingung zu erzeugen, greifen an dem zu prüfenden Teil mehrere Schwingungserreger an, deren Taktzahl in einem festen Verhältnis zueinander steht, das durch das Verhältnis der Grund- zu den Oberschwingungen des zu prüfenden Gebildes oder allgemein durch ein anderes, den praktischen Beanspruchungen des zu prüfenden -Gebildes entsprechendes Verhältnis der Schwingungen des ganzen Gebildes oder einzelner Teile gegeben ist.It is known to examine bridges by means of a shock exciter To produce vibrations in the bridge that die out before each new excitation. What is new, however, is the use of several pathogens to generate composite ones Vibrations and permanent excitation. It is well known that they result from numerous individual pieces composite building or machine parts, such as cranks or similar shafts, vehicle and aircraft frames (especially wings), lattice girders of bridges, cranes and the like. Like., In operation vibrations in the natural frequency of the structure. the Invention consists primarily in the fact that for dynamic testing of such structures, especially in or near their natural frequency, several of each other independent exciters are used that set these structures in continuous oscillation, and that the excitation forces are regulated according to size, number of cycles and phase in such a way that that for each test structure they are converted into a specific one that remains the same during the investigation Relationship to each other. It is best to leave the excitation forces there attack in the area of the antinodes of the structures. The size of the operationally Occurring vibrations and stresses can with the help of special measuring devices (Vibration meter, strain gauge, etc.) determined with sufficient accuracy will. The origin of the forces that excite the vibrations is in itself indifferent. It can be electrical as well as electromagnetic or mechanical Excitation forces (for example centrifugal forces) are used to the natural vibrations the parts to be tested. It is only essential that - the - pathogens - periodically and controllably increasing and decreasing forces cause, and expediently also the period, i.e. the number of cycles of the excitation device, is changeable to the mechanical vibrations of the exciter's natural frequency to be able to easily adapt each structure to be examined. On the other hand, recommends it, the excitation cycle rate during the test itself, if necessary by the Excitation device monitoring facilities to keep the same as exactly as possible. the Connection between the excitation device and the structure to be examined can be designed according to practical needs. It can just as easily be rigid than to be elastic in any way, depending on this to imitate the later operating conditions of the structure to be tested appears desirable. Also whether the exciter device is an independent vibration structure to which the part to be tested is connected is, or whether the excitation device only together with the structure to be tested is enabled to vibrate is-in-itself indifferent. It is essential that the Total mass of the exciter device is chosen to be as small as possible, such that it does not significantly affect the vibration conditions of the structure to be tested. -As a result of the inventive use of several pathogens that are common to the Attack the part to be tested, the question arises as to how the forces of this individual arise Pathogens behave towards one another in terms of their size and number of cycles. According to the invention the excitation forces of the individual pathogens are independent of one another in terms of size and rate adjustable. This also applies to the between the individual excitation amplitudes existing phase shift that corresponds to the requirements of the test is adjustable. The pathogens do not all need the same number of cycles to have an effect on the structures to be tested. Rather, the aim is to ensure that the of the structure also sets the preferred waveform during the test. To the For example, a truss is rarely simply vibrations execute that only correspond to the basic vibrations of its structure, rather In addition to the fundamental, there will also be harmonics. To such Generating harmonics in addition to the fundamental vibration affect the test Part of several vibration exciters, their cycle rate in a fixed ratio to each other stands by the ratio of the fundamental to the harmonics of the to be tested Formed or generally by another, the practical demands of the to The corresponding ratio of the vibrations of the whole structure to be examined or individual parts is given.

Die Einstellung der Größe der Erregerkraft bei den Messungen erfolgt bei fachwerkartigen Prüfkörpern, bei denen die Erregerkräfte zweckmäßig an den Knotenpunkten der Stäbe angreifen, durch Feststellung der Beanspruchung in den maßgebenden -Stäben bzw. Gliedern des Prüfkörpers, die mit Hilfe von dynamischen Dehnungsmessern durchgeführt wird. Die Größe der dort entstehenden Beanspruchungen muß die im praktischen Betrieb beobachteten ungünstigen Verhältnisse möglichst getreu wiedergeben, etwa derart, daß in den einzelnen Baugliedern Beanspruchungen herrschen, die den im Betrieb gemessenen Beanspruchungen ganz oder angenähert gleich sind.The setting of the magnitude of the excitation force during the measurements is made in the case of truss-like test bodies where the excitation forces are expediently at the nodes attack the bars by determining the stress in the relevant bars or sections of the test body, which are carried out with the help of dynamic strain gauges will. The size of the stresses arising there must be the same as in practical operation reproduce observed unfavorable conditions as faithfully as possible, such as that there are stresses in the individual components that are similar to those measured in operation The stresses are completely or approximately the same.

Wesentlich für die Möglichkeit der Untersuchung und für die Nachahmung der im praktischen Gebrauch auftretenden Schwingungen ist es, daß sich die Erregerkräfte .nach bestimmten periodischen Gesetzen, beispielsweise nach einem Sinusgesetz, der Zeit nach ändern und ferner, - daß sowohl die Amplitude der Erregerkraft als auch die Taktzahl der Erregungsimpulse in weiten Grenzen, am besten zwischen dem Nullwert und einem der Verwendung entsprechenden Höchstwert, entweder während der Messung oder zum mindesten vorher regelbar ist und daß diese Größen während der Dauerprüfung selbst genau gleichbleibend gehalten werden können.Essential for the possibility of investigation and for imitation of the vibrations occurring in practical use is that the excitation forces .according to certain periodic laws, for example according to a sine law, the Time to change and further, - that both the amplitude of the excitation force as well the cycle rate of the excitation pulses within wide limits, preferably between the zero value and a maximum value corresponding to the use, either during the measurement or at least can be regulated beforehand and that these variables are during the endurance test can even be kept exactly the same.

Eine Regelung der Impulsgröße ist beispielsweise bei mechanischen, durch Schwungmassen oder Kurbelgetriebe bewegten Schwingungserregern dadurch möglich, daß der Radius der Schwungmassen oder der Hub des Kurbeltriebes entsprechend einstellbar gemacht ist.A regulation of the pulse size is, for example, with mechanical, Vibration exciters moved by centrifugal masses or crank gears are possible, that the radius of the centrifugal masses or the stroke of the crank mechanism can be adjusted accordingly is made.

Die einzelne Erregermaschine wird zweckmäßig dort- 'angebracht, wo im praktischen Betrieb die Übertragung der Kräfte stattfindet, also etwa in den Knotenpunkten von Fachwerko* dgl. Bauten. - Es empfiehlt sich, die Regelbarkeit der Erregerkräfte nach Größe, Taktzahl und Phase in der Weise durchzuführen, daß sämtliche Erregermaschinen durch Synchronmotoren angetrieben werden, die von einer gemeinsamen Dynamomaschine gespeist werden. Die Änderung der- Frequenz wird so vorgenommen, daß die Drehzahl der Dynamomaschine, also die Frequenz des Drehstromes, dem Untersuchungsfalle entsprechend geregelt wird. Die Änderung der Phase kann dadurch erfolgen, daß die Gehäuse der die Erregermaschine treibenden Synchronmotore um die Motorachse drehbar sind, so daß die Pole der einzelnen Motoren der Phasenverschiebung entsprechend verschieden liegen. - Das Verhältnis der Schwingungszahlen der einzelnen Erreger kann beispielsweise dadurch geregelt und gleichgehalten werden, daß die Synchronmotoren z. B. über Zahnradvorgelege die Wellen der Erregermaschine antreiben, wobei dann das Übersetzungsverhältnis des Zahnradgetriebes von vornherein dem Verhältnis der Schwingungsunterschiede entsprechend gewählt wird, also beispielsweise im Verhältnis der Grund- zu den Oberschwingungen steht. - Auch andere Ausführungsarten der verschiedenen Einstellung der Erregermaschinen und zur Beibehaltung der einmal gewählten, den praktischen Verhältnissen entsprechenden Einstellung können Anwendung finden.The individual exciter is expediently placed where in practical operation the transfer of forces takes place, so about in the Junctions of half-timbered buildings. - It is advisable to use the controllability to perform the excitation forces according to size, number of cycles and phase in such a way that all excitation machines are driven by synchronous motors, which are driven by a common dynamo machine. The frequency is changed in such a way that that the speed of the dynamo machine, i.e. the frequency of the three-phase current, is the test case is regulated accordingly. The change in phase can take place in that the Housing of the synchronous motors driving the exciter can be rotated around the motor axis so that the poles of the individual motors correspond to the phase shift lie differently. - The ratio of the number of vibrations of the individual pathogens can for example be regulated thereby and be kept equal that the synchronous motors z. B. the shafts of the exciter machine via gear transmission drive, with the transmission ratio of the gear transmission from the outset is selected according to the ratio of the vibration differences, for example is in the ratio of the fundamental to the harmonics. - Also other types of execution the various setting of the exciter and maintaining the once The chosen setting that corresponds to the practical circumstances can be applied Find.

Bei manchen Untersuchungen, z. B. solchen eines Flugzeugkörpers bzw. der Tragflächen desselben, wird das Flugzeug zweckmäßig an oder in weichen Federn aufgehängt. Hierdurch verhält sich das Flugzeug so, als ob es frei im Raum schwebt. Die Eigenschwingungszahl des Schwingungsgebildes, dem die weichen Aufhängefedern angehören, muß verhältnismäßig sehr niedrig sein, so daß die hohen Eigenschwingungen der Prüfung keinen Einfluß auf die weichen Federn gewinnen können.In some examinations, e.g. B. those of an aircraft body or the wings of the same, the aircraft is expediently on or in soft feathers hung up. This makes the aircraft behave as if it were floating freely in space. The natural oscillation number of the oscillation structure to which the soft suspension springs belong, must be relatively very low, so that the high natural vibrations the test cannot influence the soft feathers.

Es empfiehlt sich häufig, die Prüfung so vorzunehmen, daß der Schwingungserreger die eine, der zu untersuchende Teil die zweite Masse eines mechanischen Schwingungsgebildes ist, das durch Zwischenschaltung einer Federung zwischen diesen beiden Massen entsteht, und in welchem die Reaktionskraft des Schwingungserregers mittels der Federung den zu untersuchenden Teil beansprucht.It is often advisable to carry out the test in such a way that the vibration exciter one, the part to be examined the second mass of a mechanical oscillation structure is created by the interposition of a suspension between these two masses, and in which the reaction force of the vibration exciter by means of the suspension Part to be examined claimed.

Zweckmäßig werden die zu prüfenden Teile außer durch die Erregerkräfte noch durch diejenigen ruhenden oder sich ändernden Belastungen beansprucht, welche auf diese Teile auch im Betriebszustand wirken.Apart from the excitation forces, the parts to be tested are useful nor stressed by those dormant or changing loads, which act on these parts also in the operating state.

Claims

PATENT CLAIMS: i. Method for dynamic testing of finished structures or parts of structures, e.g. B. bridges, cranes, lattice masts, airplanes, chassis and the like, in particular in or near their natural frequency, characterized in that the parts to be examined are set in continuous oscillation by at least two exciters and that the excitation forces of the individual exciters according to size , Cycle number and phase can be set independently of one another.

2. The method according to claim i, characterized in that the cycle rates of the exciter in the ratio of the fundamental related to the harmonics of the structure to be tested.

3. The method according to claim x and 2, characterized in that the setting of the exciter with the help of dynamic Strain gauges takes place, in such a way that stresses in the individual components prevail that are completely or approximately the same as the stresses measured in operation are. q ..

Apparatus for carrying out the method according to claims i to 3, characterized in that characterized in that the individual excitation machines with the interposition of different Transmission gear driven by synchronous motors with rotatable pole housing fed by a shared dynamo machine with adjustable speed will.

5. Device for dynamic testing according to claim i or subclaims, characterized in that the test structure, optionally with the interposition known, soft, elastic means, which the natural frequency bring the support significantly below the natural frequency of the test structure, is withdrawn from the effects of its support as if it were in free is in a floating state.

6. Device for dynamic testing according to claim i or subclaims, characterized in that the vibration exciter is one the part to be examined with the interposition of a suspension the second mass a mechanical vibration structure in which the reaction force of the vibration exciter claimed the part to be examined by means of the suspension.