DE69009456T2

DE69009456T2 - Ermüdungsüberwachung.

Info

Publication number: DE69009456T2
Application number: DE69009456T
Authority: DE
Inventors: Frederick Michael Mcclesfield Cheshire Burdekin; Nicholas John Macclesfield Cheshire Prescott
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1988-10-14
Filing date: 1990-04-17
Publication date: 1995-02-09
Anticipated expiration: 2010-04-18
Also published as: EP0452573A1; ATE106558T1; EP0452573B1; GB8923165D0; GB2223855A; GB2223855B; DE69009456D1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf die Überwachung von Strukturen über eine Zeitperiode, die bedeutsam ist hinsichtlich eines möglichen Ermüdungs- oder Bruchversagens. Strukturen, auf die die Erfindung anwendbar ist, sind gewöhnlich solche, die im Gebrauch wiederholten oder zyklischen Belastungen unterworfen sind, unter denen rißartige Fehler wachsen und zu Ermüdungsversagen oder durch Ermüdung herbeigeführtem Versagen führen können. Mit der Überwachung wird beabsichtigt, die Integrität von Strukturen gegen Ermüdungsversagen aufrechtzuerhalten, indem die Notwendigkeit angezeigt wird, Teile einer Struktur in einer solchen Zeit zu verschrotten oder zu ersetzen, wie keine oder eine minimale Anfälligkeit zum Versagen sicherstellt, wobei jedoch nichtsdestoweniger die Unterhaltungskosten durch einen vorzeitigen Ersatz nicht erhöht werden.
Eine Ermüdung tritt auf, wenn rißartige Mängel, die in den meisten metallischen Strukturen vorhanden sind, unter dem Einfluß wiederholter Belastung wachsen (oder ausgelöst werden und wachsen). Dies kann aufgrund der Anwesenheit von hohen lokalen Beanspruchungen, beispielsweise an einer Verbindung mit einer hohen Belastungskonzentration erfolgen. Während der Herstellung in eine Struktur eingebrachte rißartige Fehler können deren Ermüdungsverhalten bestimmen, insbesondere wenn während der Herstellung geschweißt wird. Um die Gefahr eines Ermüdungsschadens so gering wie möglich zu halten, werden Spannungsstrukturen während der Herstellung sorgfältig untersucht, um irgendwelche rißförmigen Fehler von nicht annehmbarer Größe zu lokalisieren. In einer großen Struktur oder auf einer großen Produktionsstrecke für ein massengefertigtes Teil ist dies ein schwieriger Vorgang, und es ist unpraktisch, alle vorhandenen Fehler zu beseitigen.
Die Erfindung ist anwendbar auf eine große Vielzahl von Strukturen, enthaltend solche Strukturen, die nach einer bestimmten Anweisung hergestellt werden, die aber im Gebrauch einer großen Vielzahl von Belastungszuständen unterworfen sein können. Solche Strukturen enthalten beispielsweise Flugwerke, Brükken, Kräne, Off-Shore-Strukturen, Betriebsanlagen, Vergnügungsanlagen und dergl.
Das nutzbare Leben von Teilen irgendeiner Struktur ist unterschiedlich, soweit die Anfälligkeit für ein Ermüdungsversagen betroffen ist, entsprechend solchen Faktoren wie Betriebsumgebung und Bedienungsanforderungen. Sie können gelegentlicher Überbeanspruchung unterworfen sein, wie bei schweren Landungen oder außergewöhnlichen Turbulenzen, die bei Flugwerken auftreten können, welche das Ermüdungsversagen einiger Teile beschleunigen können.
Herkömmliche Verfahren und damit verbundene Probleme für das Behandeln von Erinüdungsversagen oder dessen Wahrscheinlichkeit enthalten die folgenden:

Redundanz

Einsetzen von Ersatz- oder redundanten Teilen oder Belastungswegen, die übernehmen können, wenn das Hauptteil versagt, und die die Integrität der Struktur aufrechterhalten, zumindest bis das Teil sachgemäß repariert oder ersetzt werden kann - dies wird als "fail-safe"(störungssichere)-Konstruktion bezeichnet und wird in der Luftfahrt-Industrie übermäßig angewendet. Der Nachteil besteht darin, daß regelmäßige Inspektionen und/oder eine Instrumentierung erforderlich sind, um jedes ausgefallende Teil festzustellen; wenn das kritische Teil sich im Herzen einer komplizierten Anlage oder auf dem Seeboden befindet, kann es vorkommen, daß es für einige Zeit nach dem Auftreten eines Ermüdungsversagens nicht entdeckt wird.

Rechtzeitiges Ersetzen

Einschätzen von Komponenten für eine bestimmte Betriebszeit und deren Ersetzen während Routinewartungen vor Ablauf der kürzesten Ausfallzeit. Dies kann jedoch bedeuten, daß die meisten Teile ersetzt werden, lange bevor sie ausfallen würden, und dies ist unwirtschaftlich.

Häufige Inspektion

hoffend, daß durch Ermüdung herbeigeführte Risse bei der Wartung entdeckt werden, bevor sie einen Ausfall der Struktur bewirken. Jedoch ist die Größe eine Fehlers, der gefunden werden inuß, im allgemeinen sehr klein, da der Riß im letzten Stadium sehr schnell wächst. Es ist häufig unpraktisch, ausreichend gründlich oder häufig zu untersuchen.

Instrumentierung

enthaltend die direkte Messung durch Spannungsmesser und ähnliche Umformer für die ein Strukturteil beeinträchtigenden Belastungen, und die Verwendung von Meßvorrichtungen, die von Tensiodyne (siehe unten) gefördert werden, die die Anbringung mehrerer Meßvorrichtungen an einer Struktur vorschlägt, die so ausgebildet sind, daß sie unter unterschiedlichen Bedingungen brechen oder ausfallen und als eine Anzeige für die Ermüdungsgeschichte (und folglich Zukunft) des geprüften Teils dienen.
Alle diese Verfahren haben jedoch ihre unterschiedlichen Nachteile. Somit ist die Redundanz mit einer Kapitalkostenstrafe und auch mit einer Gewichtsstrafe verbunden, insbesondere bei Flugzeugstrukturen. Eine Gewichtsstrafe kann ihrerseits andere Teile stärker belasten als notwendig und zu deren vorzeitigem Ermüdungsversagen führen. Ein frühzeitiger Ersatz führt eindeutig in beiden Fällen zu einem zu frühen Ersatz, wodurch Bearbeitungszeiten vergeudet werden und Teilekosten sowie insbesondere Ausfallzeiten entstehen.
Eine häufige Inspektion ist offensichtlich mit Kosten verbunden und führt nicht in jedem Fall zur Feststellung des Versagens eines Teils gewöhnlich bis zu einiger Zeit nach seinem Ausfall. So kurz eine derartige Zeit auch sein mag, es kann nichtsdestoweniger gefährlich sein, eine Struktur mit einem unerkannten Erinüdungsbruch zu betreiben.
Die Instrumentierung hat gewisse Probleme, hauptsächlich wegen der Kosten hinsichtlich der Kapitalkosten und der Überwachung und Deutung der Instrumenteninformationen. Jedoch bestehen auch Schwierigkeiten bei der Bezugnahme der Informationen von der Instrumentierung zu dem tatsächlichen Verhalten von Strukturen und deren Teilen.
Die US 3,744,300 beschreibt ein spezielles Instrumentierungssystem zum Messen des Ermüdungsschadens in Hubschrauberflügeln auf der Grundlage der tatsächlichen Anzahl von Kraftzyklen und der genauen Amplitude der in jedem Zyklus erfahrenen Belastung.
Archer beschreibt in US 4,502,337 und EP 0,147,254 eine Ermüdungsschaden-Anzeigevorrichtung, die zwei an einem mechanischen Teil befestigte dicke Elemente aufweist, welche durch ein dünnes Band oder eine dünne Platte miteinander verbunden sind. Die dicken Elemente sind so angeordnet, daß sie durch jegliche Belastung des mechanischen Teils versetzt werden können, wodurch ein Riß in dem dünnen Band oder der dünnen Platte erscheint.
Archer beschreibt ein ähnliches System in EP 0,032,101.
In US-A-4,107,980, Crane et al, wird ein Verfahren zur Vorhersage einer Schadensanhäufung in einer strukturellen Form beschrieben, bei der ein fehlerhafter Metallstreifen an dem Teil befestigt ist. Der Fehler, der in dem Streifen durch Ermüdungsbelastung erzeugt ist, wächst mit einer Geschwindigkeit, die in Bezug zu dem Wachsen eines angenommenen Fehlers in dem Teil gesetzt ist, so daß ein tatsächlich akkumulierter Schaden durch Betrachtung des Wachsens des Fehlers in dem Meßstreifen unabhängig vom Zeitfaktor beurteilt werden kann.
Smith schlägt in US-A-3,979,949 eine Anordnung zum Messen des akkumulierten Ermüdungsschadens und der verbleibenden Dauerfestigkeit vor. Die Anordnung umfaßt eine dünne rechteckige Metallbasis mit einem an einer Seite eingeschnittenen rißartigen Schlitz und einem an der Basis befestigten, unterhalb des Schlitzes liegenden Teflon-Trennstreifen. Die Meßanordnung ist an einer Struktur mit einem geeigneten Haftmittel befestigt, und ein Ermüdungsriß beginnt am Schlitz zu wachsen, wenn die Struktur einer wiederholten Belastung ausgesetzt ist. Der Riß wächst angenähert linear mit den durch die Struktur übermittelten akkumulierten Ermüdungsbeanspruchungen.
Diese und andere Vorschläge zur Befestigung von Meßanordnungen an Strukturen zeigen, daß es bereits in weitem Maße anerkannt ist, daß Meßanordnungen mit einem rißauslösenden Fehler, von welchem ein Riß wächst, wenn die Meßanordnung an einer Struktur befestigt ist, einen in der Struktur akkumulierenden Ermüdungsschaden anzeigend und zur Überwachung der Struktur in bezug auf einen Ermüdungsschaden verwendet werden können.
Jedoch wurden diese bekannten Vorschläge nicht in weitem Maße angenommen, wenn sie tatsächlich überhaupt angenommen wurden. Ein Grund hierfür könnte sein, daß, während die früheren Vorschläge Meßanordnungen diskutieren, die in besonderen Situationen arbeiteten, sie in praktischer Hinsicht keine nützliche Aussage dahingehend enthalten, wie Meßanordnungen in anderen Situationen eingesetzt werden sollten.
Smith schlägt beispielsweise in US-A-3,979,949 vor, einen Ermüdungsschaden zu überwachen, der durch ein Strukturteil im tatsächlichen Betrieb verursacht wird, in dem eine Meßanordnung "an irgendeinem Teil" der Struktur befestigt wird. Er stellt fest, daß sie nicht nahe der Stelle befestigt sein muß, an der ein Ermüdungsversagen erwartet werden kann, so lange, wie sie dort plaziert wird, wo sie den Hauptbelastungen in der Struktur ausgesetzt ist, die primär für den Ermüdungsschaden angesehen werden. Er lehrt dann, eine identische Meßanordnung identisch auf einem identischen Strukturteil für eine Versuchsprüfung anzuordnen, die dann einer wiederholten Belastung ausgesetzt wird. Wenn die Versuchsprobe ausfällt, wird die Größe des Rißwachstums zur Zeit des Ausfalls notiert. Die Größe des Rißwachstums der an der Struktur im tatsächlichen Betrieb angebrachten Meßanordnung wird periodisch notiert. Dieses soll eine lineare Beziehung zu dem Bruchteil der Dauerfestigkeit haben, der in der Struktur selbst verbraucht wurde, obgleich hierfür kein sehr guter Grund geltend gemacht werden kann.
Zuerst ist natürlich das Erfordernis, die Versuchsauswertung des Verhaltens der Meßanordnung durchzuführen, hauptsächlich abschreckend für die Annahme dieser Technik. Zweitens wird eine geringe Anleitung über die Konstruktion oder Auswahl von Meßanordnungen für besondere Situationen gegeben.
Crane et al stellen in US-A-4,107,980 fest, daß frühere Versuche zur Entwicklung eines Verfahrens oder einer Vorrichtung zum Überwachen der Schadensakkumulierung ohne Erfolg waren, da die entwickelten Verfahren und/oder Instrumente nicht in der Lage waren, Parameter zu messen, die direkt zu den komplexen Vorgängen in Beziehung gesetzt werden konnten, die das Wachstum eines Fehlers oder Risses beeinflussen. Ihr vorgeschlagenes Verfahren unterscheidet sich dadurch, daß sie einen Fehler oder eine Riß von kritischer Länge in einer ermüdeten Metall-Meßanordnung vorsehen. Der Fehler der Meßanordnung sollte tatsächlich entsprechend ihrer Lehre eine anfängliche Länge haben, die größer ist als die Länge jedes tatsächlichen oder angenommenen Fehlers in dem überwachten Teil.
Die Bezugnahme auf einen "angenommenen" Fehler ist hinsichtlich MIL SPEC-A 83444 der US Air Force, welche die Anordnung einer angenommenen Fehlergröße in allen bruchkritischen Teilen erfordert.
Trotz der Diskussion der Bruchtheorie in einem detaillierten mathematischen Umfang bieten Crane et al. jedoch wenig Anleitung für die praktische Annäherung an die Konstruktion der Meßanordnung mit der Ausnahme, daß die anfängliche Fehlerlänge größer sein sollte als der anfängliche Teilefehler, tatsächlich oder angenommen.
Darüberhinaus erwähnt keine dieser Stand der Technik- Dokumente eine Vorbeanspruchung. Strukturelle Teile stehen gewöhnlich im Betrieb unter einem gewissen Grad statischer Belastung, der eine zyklische oder wiederholte Belastungsänderung überlagert ist. Die statische Belastung ist, wenn das Teil außer Betrieb ist, was üblicherweise der Fall ist, wenn eine Meßanordnung befestigt wird, gewöhnlich stark unterschiedlich von der statischen Belastung im Betrieb. Eine Meßanordnung würde beispielsweise an einem Flügelholmteil befestigt werden, wenn sich das Flugzeug am Boden und nicht in der Luft befindet, und die statische Belastung in diesen beiden Fällen ist in entgegengesetzten Richtungen. Abhängig davon, wie die Meßanordnung befestigt wurde, könnte die statische Belastung im Flug so wirken, daß sie die Neigung hat, jeden sich entwickelnden Riß in der Meßanordnung zu schließen, und dies würde die tatsächliche Wirkung durch zyklische Flügelbelastungen aufgrund von Manövriervorgängen, Turbulenzen und dergl. maskieren, wodurch sich ein unbefriedigender Zustand ergibt.
In der Europäischen Patentveröffentlichung Nr. 0 149 748 (Tensiodyne) sind eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Überwachen der Dauerfestigkeit eines Strukturteils beschrieben, wobei die Vorrichtung wenigstens einen und vorzugsweise mehrere im wesentlichen flache längliche Coupons aufweist, die (vorzugsweise) aus demselben Material wie das überwachte Teil hergestellt sind. Die Coupons werden an dem Teil befestigt, so daß sie dieselbe Belastungsgeschichte wie das Teil erfahren. Jeder der Coupons hat ein unterschiedliches Belastungskonzentrations- Kerbmuster, so daß die Ausübung derselben Belastung auf alle parallel auf dem Teil befestigten Coupons zur Entwicklung unterschiedlicher Belastungskonzentrationen in diesen führt, was bewirkt, daß jeder Coupon eine unterschiedliche Dauerfestigkeit aufweist, die einen vorbestimmten Prozentsatz der Dauerfestigkeit des untersuchten Teils entspricht.
Die Coupons haben jeweils ein Kerbmuster, das aus einem Paar von Kerben besteht, von denen jeweils eins auf jeder der Längsseiten des Coupons angeordnet ist. Die Kerben haben unterschiedliche Geometrien, die Spannungsfelder erzeugen, welche sich in der Intensität von relativ schwach zu sehr stark ändern. Der Coupon mit dem sehr starken Kerbmuster wird zuerst ausfallen, der mit dem schwachen Muster zuletzt, wobei der Ausfall jedes Coupons nacheinander eine Anzeige für den Prozentsatz der Dauer bis zum von dem Teil erlittenen Ausfall darstellt. Das unterschiedliche Verhalten von verschiedenen Coupons wird durch die Auslösung und das frühe Wachstum von Rissen im Spannungskonzentrationsbereich gesteuert und dies wird nun als höchst variabel gefunden.
Wenn abgestufte Coupons verwendet werden, wie es offensichtlich primär in der Europäischen Veröffentlichung Nr. 0 149 748 betrachtet wird, werden die Kosten der Herstellung und Anbringung der Coupons erhöht. In jedem Fall wird es für alle Coupons unmöglich, so angeordnet zu werden, daß sie dieselbe Stelle auf dem zu überwachenden Teil überwachen, und demgemäß sicher zu sein, daß sie alle genau dieselbe Spannungsgeschichte wiedergeben. Die Befestigung der Coupons bringt gewöhnlich in gewissem Maße eine Störung der Integrität der Struktur mit sich, und je mehr von ihnen an derselben Stelle befestigt werden müssen, desto mehr wird die Integrität gefährdet.
Die vorliegende Erfindung schafft Verfahren und einen Apparat, die die Ermüdungsüberwachung in Strukturen ohne die vorgenannten Nachteile mehr oder weniger ermöglichen.
Die Erfindung liefert ein Verfahren zur Überwachung der Ermüdung in einem Konstruktionsteil, das ermüdungserzeugenden Beanspruchungen unterworfen ist, von denen jeder Beanspruchungsbereich Si über die Betriebsgeschichte ni-mal auftritt, das dadurch gekennzeichnet ist, daß das Verfahren die Überwachung eines Meßrisses umfaßt, der einer gleichartigen Betriebsgeschichte wie das Teil unterworfen ist, wobei der Riß in einer Meßanordnung eingeleitet wird, die ausgewählt wird durch Auswahl einer erwarteten Grundlebensdauer des Teils in der Form
entsprechend dem Teil angemessener Konstruktionskriterien;
Auswahl einer Meßanordnungsfaktorfunktion, die festsetzt, wie sich der Meßriß unter den Beanspruchungen vergrößert, anpassend des Schwellenwertverhaltens in der Meßanordnung an die Ermüdungsgrenze in der Struktur, und Begründen einer Meßanordnungskonstruktion, die diese Meßanordnungsfaktorfunktion hat;
Auswahl von Meßanordnungsmaterial und anderen Parametern, mit denen die Meßanordnung ausgeführt wird, so daß der Riß in der Meßanordnung zumindest für
enthalten sein wird; und
Auswahl eines Grades an Vorspannung, die erforderlich ist für die Entfaltung der Meßanordnung auf dem Teil, so daß die Vergrößerung des Meßrisses
entspricht, und Entfalten der Meßanordnung auf dem Teil mit dieser Vorspannung.
Mit "wobei der Riß eingeleitet wird" ist gemeint, daß ein Rißanfangspunkt auf irgendeine Weise bestimmt wird, entweder durch Herstellen eines kleinen Sägeschnitts oder durch Bohren eines Loches oder durch irgendeine andere derartige Operation. Es kann sein, daß das Reißen an sich tatsächlich nicht auftritt, bis die Meßanordnung einer Belastung unterzogen wird.
Mit "Konstruktionsteil" ist ein Teil wie eine Strebe oder ein Band oder ein Bereich eines Teils, wo eine Belastungskonzentration auftreten könnte, wie eine Fensteröffnung oder eine geschweißte oder andere Verbindung gemeint. Für viele solche Teile wurden Regeln aufgestellt zur Auswahl der Grundlebensdauer in der Form
Die ci können alle so gewählt werden, daß sie gleich sind, oder sie können Faktoren sein, die die relativen Wirkungen auf die Lebensdauer unterschiedlicher Beanspruchsbereiche darstellen. Die ci können insbesondere entsprechend einem modifizierten Palmgren- Miner-Linearschaden-Summierungsgesetz
ausgewählt werden, worin c&sub0; der Konstantamplituden- "Paris-Gesetz"-Koeffizient und Ni die maximalen Zahlen von aufrechterhaltbaren Zyklen für die Beanspruchungspegel Si sind.
Es kann für geschweißte Verbindungen Bezug genommen werden auf die Regeln, die in "The Welding Institute Research Bulletin", Mai 1976, Seiten 117 ff, wiedergegeben sind, in denen Verbindungen in neun Klassen A, B, C, D, E, F, F2, G und W klassifiziert sind.
Der Meßriß kann in einem Anhang des Teils sein, welcher in der Form einer nasenartigen Meßanordnung sein kann. Der Anhang kann im Abstand voneinander angeordnete Befestigungspunkte haben und der Meßriß wird relativ zu diesen Punkten ausgelöst, so daß die relative Versetzung der Punkte Belastungen an der Stelle des ausgelösten Risses ausübt, die bewirken, daß der Riß von dort wächst. Der Anhang kann so ausgebildet sein, daß die Rißlänge den kumulativen Ermüdungsschaden des Teils und den Anteil der verbrauchten Dauerfestigkeit
anzeigt.
Der Riß und irgendein Loch oder Schlitz, welche in einigen Fällen vorgesehen sein können, um das Wachstum irgend eines sich entwickelnden Risses zu begrenzen, können in einem Anhang an der Struktur vorgesehen sein, der eine streifenartige Meßanordnung aufweisen kann, so hergestellt und gestaltet, daß Rißwachstumseigenschaften gegeben sind, die vergleichbar sind mit solchen der Stellen der zu überwachenden Struktur.
Der ausgelöste Riß kann in der zu überwachenden Struktur vorgesehen sein zusammen mit einem Loch oder Schlitz, um das Wachstum irgend eines sich entwikkelnden Risses zu begrenzen.
Der Anhang oder, je nachdem, die Struktur können eine angezeigte Stelle oder angezeigte Stellen haben, die unterschiedlichen Stufen des Rißwachstums entsprechen; solche Stelle oder Stellen können durch eine sichtbare Linie oder eine andere Markierung gekennzeichnet sein, oder sie können eine Stelle oder Stellen aufweisen, an denen Sensormittel ein vorbestimmtes Ausgangssignal ausgeben, die die Informationen bezüglich der ermüdungsinduzierten Belastung darstellen.
Es können mehr als ein ausgelöster Riß vorgesehen sein, wodurch sich mehrere Stellen ergeben, an denen Risse wachsen können. Ein Anhang kann beispielsweise einen internen Schlitz mit einem Riß an jedem Ende aufweisen, wodurch zwei Stellen gegeben sind, von denen sich Risse ausbreiten können.
Eine streifenartige Meßanordnung kann eine brückenartige Form haben und an der Struktur an im Abstand voneinander angeordneten Befestigungspunkten befestigt sein, zwischen denen der ausgelöste Riß liegen kann. Ein derartiger Anhang kann aus Platten- oder Folienmaterial bestehen, das parallel zu der Befestigungsf läche liegt oder senkrecht von dieser absteht oder gegenüber dieser geneigt ist.
Eine streifenartige Meßanordnung oder ein anderer Anhang können an einem Zwischenteil befestigt sein, das seinerseits an der zu überwachenden Struktur befestigt sein kann; dies vermeidet die Notwendigkeit, den Anhang direkt an der zu überwachenden Struktur zu befestigen, was unzweckmäßig sein kann oder welches selbst (z.B. beim Schweißen) die Integrität der Struktur beeinträchtigen kann.
Der Anhang kann an dem Zwischenteil oder dem Element in der Weise befestigt werden, daß die Kontaktflächen vollständig haften oder nur an bestimmten Stellen haften, und ein Zwischenteil kann in gleicher Weise an dem Element befestigt sein.
In dem Fall, wo ein Anhang ein Strukturelement überwachen soll, welches während seines Betriebslebens unterschiedlich beansprucht wird, z.B. durch Zug oder Druck oder Torsionsbeanspruchung, kann, wenn der Anhang angepaßt werden kann, dieser so angeordnet sein, daß er einem ähnlichen Belastungsmuster folgt, d.h. wenn das zu überwachende Element beispielsweise für die Befestigung unter Zugspannung ist, jedoch während des Betriebes unter Druck gesetzt wird (wie beispielsweise einige Flügelholm-Elemente in Flugwerken oder Hubschrauberflügel) kann der Anhang in gleicher Weise für die Befestigung unter Zugspannung und während der Betriebes unter Druckspannung stehen.
Die Befestigung eines Anhanges oder eines Zwischenelementes an einer Struktur kann beispielsweise durch Schweißen, Kleben, Nieten, Anheften oder Anschrauben erfolgen.
Ein Rißwachstum tritt nur bei bestimmten Typen von ausgeübter Beanspruchung auf und insbesondere bei den sogenannten Rißöffnungs- oder Zugspannungs-Betriebsarten. Demgemäß kann es, wenn diese besondere Betriebsart des Rißwachstum verwendet wird oder alternativ eine Scherrißausbreitung oder -wachstum verwendet wird, wünschenswert sein, die Meßanordnung unter Vorspannung zu setzen, derart, daß die an der Rißspitze bei Arbeitsbelastung auftretenden zyklischen Beanspruchungen in dem Bereich liegen, der für die Ausbildung der Meßanordnungen am geeignetsten ist.
Die Erfindung enthält auch abgeänderte Struktur, so daß sie in der Lage sind, durch die vorgenannten Verfahren untersucht zu werden.
Die Vergleichbarkeit der Rißwachstumseigenschaften zwischen dem ausgelösten Riß und dem Loch oder Schlitz mit denen der Struktur kann durch Verfahren hergestellt werden, die, ohne hierauf beschränkt zu sein, die Anwendung der Bruchmechanik auf das Ermüdungs- und Bruchverhalten und numerische Belastungsanalyse-Verfahren wie die Analyse der endlichen Elemente enthalten, die auf die Gestalt der Meßanordnung oder Strukturteile angewendet werden.
Der Anhang kann in der Form einer Platte aus einem strukturell verträglichem Material mit dem überwachten Strukturelement sein. Beispielsweise kann der Anhang eine Stahlplatte sein, die an Strukturelementen aus Stahl befestigt ist.
Eine streifenförmige Meßanordnung kann jedoch aus einem derart ausgewählten Material bestehen, daß ein Rißwachstum bei Strukturbelastungen von geringer Größe nicht auftritt, so daß das Rißwachstum anzeigt, daß die Strukturbeanspruchungen oberhalb eines vorbestimmten Pegels ausgesetzt war.
Unter Verwendung eines vergleichbaren Konfiguration ist es möglich, die Empfindlichkeit der Befestigung für Belastungen geringer Größe bis zu einem Punkt herabzusetzen, an dem der Anhang nicht länger dazu ausgebildet ist, eine Ermüdung zu überwachen, sondern dazu, das Auftreten einer sehr großen Einzelbelastung zu überwachen, und es ist in diesem Fall festzustellen, daß ein Bruch eher als ein Rißwachstum das Mittel wäre, wodurch die Rißausdehnung stattgefunden hat.
Ein Zwischenteil, durch das der Anhang indirekt an einer Struktur befestigt ist, kann aus demselben Material wie das zu überwachende Strukturteil oder aus einem unterschiedlichen Material bestehen. Beispielsweise kann ein Kunststoffmaterial an einem zu überwachenden Metallelement befestigt sein, und eine streifenartige Meßanordnung ist an dem Kunststoff- Zwischenteil befestigt. Dies kann ein nützliches Mittel zum Stützen einer empfindlichen streifenartigen Meßanordnung sein, die beispielsweise aus einer dünnen Folie bestehen kann. Hierdurch kann erreicht werden, daß eine derartige Meßanordnung leichter an die überwachte Struktur geklebt oder geheftet wird.
Es wird davon ausgegangen, daß die Erfindung besonders nützlich ist, wenn sie bei küstennahen Seestrukturen, bei Schiffen oder an anderen schwimmenden Strukturen, bei in der Raumfahrt verwendeten Strukturen, bei im Tiefbau oder in der Verfahrenstechnik hergestellten Strukturen wie Brücken, sowohl permanent als auch vorübergehend, Gittertürmen und anderen derartigen windempfindlichen Strukturen, bei Kränen und erd- oder schienengebundenen Fahrzeugen oder beliebigen anderen derartigen Strukturen verwendet wird.
Eine Anzahl von Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung wird im folgenden nur beispielhaft beschrieben unter Bezug auf die begleitenden Zeichnungen.
In den Zeichnungen:
Figur 1 ist eine Seitenansicht eines ersten Ausführungsbeispieles eines Anhanges;
Figur 2 ist ein Querschnitt des ersten Ausführungsbeispieles entlang der Linie II-II nach Fig. 1;
Figur 3 ist eine Seitenansicht eines zweiten Ausführungsbeispieles;
Figur 4 ist eine Seitenansicht eines dritten Ausführungsbeispieles;
Figur 5 ist eine Seitenansicht eines vierten Ausführungsbeispieles;
Figur 6 ist eine Ansicht eines fünften Ausführungsbeispieles;
Figur 7 ist eine Ansicht eines sechsten Ausführungsbeispieles;
Figur 8 ist eine Ansicht eines siebenten Ausführungsbeispieles;
Figur 9 ist eine Ansicht eines achten Ausführungsbeispieles;
Figur 10 ist eine Ansicht eines anderen Ausführungsbeispieles;
Figur 11 ist eine Draufsicht auf eine anderes Ausführungsbeispiel einer streifenförmigen Meßanordnung in der Position auf einer zu überwachenden Struktur;
Figur 12 ist eine Ansicht in Richtung des Pfeiles II in Figur 11;
Figur 13 ist eine Draufsicht wie Figur 11 auf ein anderes Ausführungsbeispiel der Meßanordnung;
Figur 14 ist eine Draufsicht auf ein anderes derartiges Ausführungsbeispiel;
Figur 15 ist eine Draufsicht auf ein anderes derartiges Ausführungsbeispiel;
Figur 16 ist eine Draufsicht auf ein anderes derartiges Ausführungsbeispiel;
Figur 17 ist eine Draufsicht auf ein anderes derartiges Ausführungsbeispiel;
Figur 18 ist eine bildliche Illustration einer komplexen Struktur, enthaltend mehrere streifenförmige Meßanordnungen und Prüf- und Vergleichsmittel zum Prüfen und Überwachen des Wachstums von Rissen in den Meßanordnungen;
Figur 19 ist eine Ansicht einer integralen Meßanordnung;
Figur 20 ist eine Draufsicht auf eine Meßanordnung mit einer Vorspannungsanordnung;
Figur 21 ist eine Draufsicht auf eine andere Meßanordnung mit einer Vorspannungsanordnung;
Figur 22 ist eine graphische Darstellung von S-n- Kurven für verschiedene Typen von geschweißten Teilen; und
Figur 23 ist eine graphische Darstellung von Meßanordnungsfaktoren für die Meßanordnungen nach der Erfindung für dieselben geschweißten Teile.
Fig. 22 zeigt graphisch die beziehung zwischen dem Belastungsbereich S (gewöhnlich ausgedrückt in N/mm²) und der Dauerhaftigkeit n (Zyklen) für verschiedene Klassifikationen von geschweißten Teilen, wie sie durch "The Welding Institute" in der vorgenannten Veröffentlichung bestimmt sind.
Diese Kurven sind für die mittlere Dauerhaftigkeit - in der Praxis nehmen die Konstrukteure Mittelwert minus einer Standardabweichung (Mittelwert -1SD)- oder Mittelwert -2SD-Kurven an, für die die Werte von n für entsprechende Belastungsbereiche natürlich niedriger sind, abhängig davon, wie kritisch die Bedingungen sind. Mittelwert -1SD entspricht einer Ausfallwahrscheinlichkeit von angenähert 15,9%, Mittelwert -2SD einer Wahrscheinlichkeit von etwa 2,3%. Üblicherweise wird das letztere angenommen, jedoch bei nicht kritischen Bedingungen, z.B. wo die Inspektion leicht ist, wird manchmal Mittelwert -1SD verwendet.
In jedem Fall verwenden Konstrukteure solche Diagramme wie in Figur 22, um ein
zu bestimmen.
Beispielsweise ist für eine Schweißverbindung der Klasse W, wenn die eine untere Grenze Mittelwert -2SD darstellenden Konstruktionswerte verwendet werden,
Eine derartige Zahl wird für einen einzigen Belastungsbereich unterworfenen Teilen erhalten, indem der zur m-ten Potenz erhöhte Belastungsbereichswert mit der Lebensdauer in Zyklen multipliziert wird (m wird auch aus aufgestellten Konstruktionsparametern für das Teil ausgewählt, z.B. ist für Teile vom W-Typ m = 3). Für ein Spektrum von Belastungsbereichen ist die Berechnung im wesentlichen dieselbe, jedoch komplizierter, wird jedoch von Konstruktionsingenieuren gut verstanden.
The ci werden durch Tests und eine Analyse der Testergebnisse ausgewertet, entsprechend jeder einer Vielfalt von Standardtechniken, beispielsweise durch Anwendung eines sogenannten "Falstaff"-Belastungsspektrums, wie es bei der Konstruktion von militärischen Flugwerken verwendet wird.
Dies ist dann der erste Schritt des Überwachungsverfahrens nach der Erfindung.
Der nächste Schritt ist die Auswahl einer Meßanordnungsfaktorfunktion. Eine derartige Funktion ist in Fig. 23 für verschiedene Klassen von geschweißten Teilen dargestellt. Hier ist die Funktion 9 definiert als
worin a&sub0; die anfängliche Rißlänge, a&sub1; die Rißlänge nach ni Zyklen und c eine Konstante sind.
Man kann nun ein maximales Rißwachstum auswählen, das im wesentlichen durch die Größe der Meßanordnung, die man der Struktur anpassen kann, begrenzt ist, aber das geringer sein kann als das maximal Mögliche, während es noch einen Meßriß ergibt, der visuell leicht untersucht werden kann oder der für eine elektrische Widerstandsmessung geeignet ist.
Nachdem das maximale Rißwachstum ausgewählt ist, kann man die Meßanordnungsfaktor-Parameter und das Material, in der die Meßanordnung ausgeführt ist, auswählen, um dieses maximale Rißwachstum (a&sub1; - a&sub0;)max entsprechend der für das überwachte Teil ausgewählten
zu erhalten.
Ein endgültiger Schritt ist jedoch die Anbringung der Meßanordnung an dem Teil mit einem Grad von Vorspannung entsprechend der, der das Teil im Gebrauch ausgesetzt ist. Wenn dies nicht getan wird, dann ist die Meßanordnung, während sie derselben Anzahl von Belastungszyklen wie das untersuchte Teil ausgesetzt ist, einem unterschiedlichen Belastungsbereich oder einem unterschiedlichen Spektrum von Belastungsbereichen ausgesetzt.
Wenn beispielsweise eine Meßanordnung an der oberen Oberfläche eines Flügelholmes befestigt wird, wenn sich das Flugzeug auf dem Boden befindet, ist die obere Oberfläche des Holmes unter Zugspannung. Im Betrieb jedoch ist die obere Oberfläche unter Druckspannung. Eine ohne Berücksichtigung dieses Umstandes ausgeführte und befestigte Meßanordnung muß nicht jeglichen Kräften unterworfen sein, die die Neigung haben, den Riß zu öffnen. Dies gibt ein vollständig falsches Bild der Ermüdungsgeschichte des Flügelholmes. Wenn andererseits die Meßanordnung bei der Anbringung auf dem Holm vorgespannt wird, ist es möglich, daß sie demselben Belastungsbereich wie der Holm unterworfen ist und eine gute Anzeige für die Ermüdungsgeschichte liefert.
Es werden nun verschiedene Ausbildungen der Meßanordnung mit Bezug auf die anderen Zeichnungen beschrieben. Die Gestalt der Meßanordnung ist einer der Faktoren, die die Meßanordnungsfaktorfunktion q bestimmen.
Es wird zuerst auf die Figuren 1 und 2 Bezug genommen, aus denen ersichtlich ist, daß ein Anhang 10 an einer Struktur 11 befestigt ist, die örtlich gerade oder nahezu gerade ist und die durch den Anhang an der Stelle des Punktes 12 überwacht wird. Ein ausgelöster Riß befindet sich benachbart dem Loch 13 an einem von Punkten 14 und 17, abhängig von den lokalen Bedingungen betreffend die überwachte Stelle der Struktur. Die Lage des Loches 13 relativ zu der freien Kante des Anhanges ändert sich von Anhang zu Anhang in Abhängigkeit von den lokalen Bedingungen hinsichtlich der überwachten Stelle der Struktur.
Während des zulässigen strukturellen Verhaltens reißt der Anhang 10 von einem ausgelösten Riß entweder am Punkt 14 oder am Punkt 17 zum Loch hin. Wenn jedoch die Struktur an der Position 12 einer anfänglichen Ermüdung oder einem Bruchversagen unterworden ist, kann der Anhang an einem Punkt reißen, der nicht auf der erlaubten Rißlinie liegt.
Es wird nun auf Figur 3 Bezug genommen, in der ein zweiter Anhang 20 gezeigt, der an einer lokal am Punkt 22 überwachten Struktur 21 befestigt ist. In diesem Fall wird die Struktur lokal überwacht zu einer Verbindung oder einer anderen plötzlichen Richtungsänderung. Der ausgelöste Riß kann an irgendeinem Punkt positioniert sein, der ähnlich den Punkten 14 bis 17 in den Figuren 1 und 2 ist.
Es wird nun auf Figur 4 Bezug genommen, in der ein dritter Anhang 30 gezeigt ist, der an einer lokal zum Punkt 32 überwachten Struktur 31 befestigt ist. In diesem Fall hat der Anhang 30 zwei Löcher 33 und 34, derart, daß der Anhang entlang der Linien 35 oder 36 reißen kann in einer Weise, die ähnlich ist zu der für den Anhang nach Figur 1 beschriebenen, wobei die Details hinsichtlich aller anderen Punkte ähnlich denen in den Figuren 1 bis 3 sind.
Es wird nun auf Figur 5 Bezug genommen, in der ein Paar Schlitze 50 und 51 in einer lokal zu Punkten 53 überwachten Struktur 52 gezeigt sind. In diesem Fall kann das Reißen zwischen den beiden Schlitzen in einer Weise, die ähnlich der für den in Figur 1 gezeigten Anhang ist, auftreten, wobei ein ausgelöster Riß oder eine Anzahl derartiger Risse an oder benachbart den Punkten 54 oder 55 vorgesehen sind und die Details hinsichtlich aller anderen Punkte ähnlich den in den Figuren 1 bis 4 gezeigten sind. Es ist festzustellen, daß in diesem Fall die Meßanordnung ein integraler Teil des überwachten Teiles ist.
Figur 6 illustriert eine Anordnung, in der eine dünne Platten- oder Folien-Meßanordnung 61 an einem Zwischenteil 62 befestigt ist, welches seinerseits an dem zu überwachenden Strukturelement 63 befestigt ist. Die Meßanordnung 61 weist einen streifenförmigen Anhang auf, der durch ein Haftmittel oder durch Schweißen an dem Zwischenteil 62 befestigt ist. Die Folie kann aus Stahl oder Aluminium oder irgend einem anderen, entsprechend seinen Eigenschaften ausgewählten Material sein. Sie ist an der Außenseite am Zwischenteil 62 befestigt, das ein Kissen aus einem Stahlblatt oder einer Stahlplatte aufweisen und das an das Strukturteil 63 angeklebt sein kann.
Figur 7 illustriert eine Meßanordnung 71 ähnlich der nach Figur 6, die an bestimmten Stellen, wie durch Schweißpunkte 72 angezeigt ist, mit einem Zwischenteil oder Strukturelement 73 verbunden ist.
Die Figuren 6 und 7 illustrieren Anordnungen, die in einem größeren Maßstab in Figur 8 gezeigt sind, in welcher ein in der Mitte befindlicher ausgelöster Riß 81 zwei anfängliche Rißspitzen 82, 83 zur Verfügung stellt, von denen Risse wachsen können. Die Umfangsgestalt der Meßanordnung wird so ausgewählt, wie für eine bestimmte Meßanordnungsfaktorfunktion erforderlich ist.
Figur 9 illustriert eine Meßanordnung oder einen Anhang ähnlich denen, die in den Figuren 6 bis 8 illustriert sind, wobei auch Markierungen 91 vorgesehen sind, welche, wie gezeigt, im Verhältnis von abgelaufenden Prozentsätzen der Dauerfestigkeit der zu überwachenden Struktur sind. Das Wachstum von Rissen vom ausgelösten Riß aus in einer oder beiden Richtungen zu der einen oder anderen der Markierungen 91 zeigt an, daß ein solcher Bereich der geschätzten Dauerfestigkeit, wie darauf angezeigt, bereits abgelaufen ist. Die Markierungen müssen sich nicht, wie illustriert ist, auf den abgelaufenen Prozentsatz der Dauerfestigkeit beziehen - beispielsweise kann eine normale Dauerfestigkeit als Äquivalent von fünf Jahren angegeben werden und die Markierungen können in Jahren der abgelaufenen Lebensdauer angegeben sein.
Figur 10 illustriert Meßanordnungen 101 gleich den in Figuren 6 bis 9 gezeigten, die an einem Zwischenteil in Form einer keilförmigen Befestigung 102 an einem Strukturelement 103 befestigt sind. Diese Figur illustriert, wie Anhänge befestigt werden können, um Belastungen in besonderen Richtungen zu überwachen zur Abgabe besonders detaillierter Informationen, durch die das Ermüdungsverhalten überwacht werden kann.
Die Figuren 11 bis 19 illustrieren weitere Apparate und Verfahren zur Überwachung von Strukturen 111, die wiederholten oder zyklischen Belastungen ausgesetzt sind und in denen strukturelle rißartige Fehler unter den Belastungen wachsen können und zu Ermüdung oder ermüdungsinduziertem Versagen führen können. Eine streifenförmige Meßanordnung 112 ist an der Struktur 111 vorgesehen mit im Abstand voneinander angeordneten Befestigungspunkten 113, durch die sie mit der Struktur 111 verbunden ist. Ein ausgelöster Riß 114 ist relativ zu den Befestigungspunkten positioniert, so daß die Versetzung eines der Punkte 113 relativ zum anderen - die bei der Belastung der Struktur 111 auftritt - an der Stelle des Risses 114 die Bildung eines Risses und dessen Wachsen von dieser Stelle aus bewirkt, wie durch die gestrichelte Linie 115 angezeigt ist.
Der Riß kann wachsen, so daß er schließlich die Meßanordnung in zwei Teile getrennt, oder sein Wachstum kann durch ein Loch 131 beendet werden, das im Pfad des Risses durch die Meßanordnung gebohrt ist und die Ausbreitung des Risses beendet, wie in Figur 13 gezeigt ist.
Die Figuren 11 bis 16 illustrieren Meßanordnungen 112, die Bohrungen für Stifte 117 oder Schrauben 118 zur Befestigung an der Struktur 111 aufweisen. Andererseits können Stellen 119 (Figur 16) auf der Meßanordnung 112 markiert sein für eine Punktschweißung an einer Struktur. Es ist gewöhnlich wichtig, daß die Meßanordnung auf der Struktur durch Befestigungspunkte festgelegt ist, die solchen entsprechen, für welche das Verhalten der Meßanordnung unter wiederholter oder zyklischer Belastung bekannt ist, daher ist es wünschenswert, Stellen für das Punktschweißen zu markieren oder in anderer Weise zu bestimmen.
Im allgemeinen befinden sich die Befestigungspunkte 113 (und dies gilt auch für integrale Versionen, wie in Figur 19 illustriert und nachfolgend weiter beschrieben wird) ausreichend nahe an dem ausgelösten Schlitz 114, der im wesentlichen zwischen den Punkten 113 positioniert ist, so daß eine relative Versetzung der Punkte ein Wachsen des Schlitzes bewirkt. Die illustrierten Meßanordnungen sind alle symmetrisch zu einer Linie geformt, durch die der Riß 114 hindurchgeht und die die Linie zwischen den Befestigungspunkten 113 halbiert.
Die streifenförmigen Meßanordnungen bieten einen Rißausbreitungspfad, der zwischen den Befestigungspunkten hindurchgeht und sich über eine Strecke über die Kante auf der von dem ausgelösten Riß entfernten Seite der Befestigungspunkte hinaus erstreckt, die viel weiter weg als die den Riß enthaltende Kante ist. Die Formen der Meßanordnungen werden gemäß den bekannten Lehren der Bruchmechanisch gewählt, die auf das Ermüdungs- und Bruchverhalten angewendet werden können, um eine erforderliche Veränderung des Belastungsintensitätsfaktors mit dem Rißwachstum in der Meßanordnung zu geben, so daß jede geforderte Meßanordnungs- Dauerfestigkeit vorbestimmt werden kann (wobei auch das Material, aus dem die Meßanordnung gemacht ist, beachtet wird). Die dargestellten Meßanordnungen verlaufen von der Kante mit dem ausgelösten Riß 114 weg schräg nach außen oder innen und haben gerade oder leicht gekrümmte Kanten und können kein anderes belastungskonzentrierendes Merkmal als den ausgelösten Riß 114 haben. Jedoch kann, wie in Figur 13 illustriert ist, ein Riß-Anziehungsmittel 131 in Form eines Loches oder eines Schlitzes vorgesehen sein, das sich sogar an einer Kante der Meßanordnung befinden kann, wie bei 151 in Figur 15 gezeigt ist. Die Funktion dieses Riß-Anziehungsmittels ist jedoch in keiner Weise gleichartig mit der Funktion des doppelten belastungskonzentrierenden Kerbmusters der vorerwähnten europäischen Veröffentlichung, die hauptsächliche Belastungskonzentration bei der vorliegenden Meßanordnung wird primär durch den ausgelösten Riß hergestellt.
Die Belastungen, denen die Struktur 111 unterworfen ist, werden in den Belastungen reflektiert, denen die Meßanordnung 112 unterworfenist, und unter diesen Belastungen entwickelt sich ein Riß in der Meßanordnung 112 und wächst. Die Struktur 111 kann daher durch Inspektion der Meßanordnung 112, um zu sehen, wie weit sich der Riß ausgebreitet hat, überwacht werden.
Eine derartige Inspektion kann visuell durchgeführt werden. Der Riß kann mit einem Lineal gemessen werden. Oder die Meßanordnung 112 kann beispielsweise, wie in Figur 13 gezeigt ist, mit einer auf ihr markierten Längenskala versehen sein oder, wie in Figur 14 gezeigt ist, hinsichtlich der Prozentsätze der Dauerfestigkeit eingeteilt sein. Die in Fig. 14 gezeigte Meßanordnung ist weiterhin dadurch gekennzeichnet, daß auf ihr drei unterschied gefärbte Dauerfestigkeitszonen markiert sind - Zone 1 ist grün gefärbt und erstreckt sich bis zur Hälfte der Meßanordnungs-Dauerfestigkeit, Zone 2 ist bernsteinfarbig und erstreckt sich bis zu 80% der Dauerfestigkeit und kann mit einem Bef ehl zur Inspektion in häufigeren Intervallen verbunden sein, während die dritte Zone rot gefärbt ist und das Erfordernis eines sofortigen Ersatzes anzeigt. Natürlich können den Umständen entsprechend andere Farben, Zonenausdehnungen und damit verbundene Instruktionen verwendet werden.
Eine gute Anzeige der aufgetretenen Rißausdehnung kann durch Messung des elektrischen Widerstandes der Meßanordnung oder durch magnetische oder akustische Abtastung der Meßanordnung gegeben werden. In einer komplexen Struktur mit mehreren Meßanordnungen, insbesondere wenn einige nicht leicht zugänglich sind, können alle Meßanordnungen 112, wie in Figur 18 illustriert ist, mit einem gemeinsamen Fühlerpunkt 118 verdrahtet werden zur Verbindung mit einer automatischen Überwachungseinrichtung, die die Meßanordnungen 112 abtasten und ihre Widerstände messen kann sowie die gemessenen Widerstände mit vorbestimmten Werten vergleichen kann. In der in Figur 18 illustrierten vorgeschlagenen Anordnung ist eine Datenauf nahmevorrichtung 182 in Routine-Inspektionsintervallen mit dem Fühlerpunkt 181 verbunden und so ausgebildet, daß sie die elektrischen Widerstände aller Meßanordnungen 112 in einer vorbestimmten Folge liest und speichert. Die gespeicherten Daten werden dann zu einem entfernten Prozessor 183 übertragen, der die Daten mit Bezugsdaten vergleicht, die für die betreffende Struktur angemessen sind, und den abgelaufenen Prozentsatz der Dauerfestigkeit für die von den Meßanordnungen 112 überwachten Strukturteile auswertet, so daß Entscheidungen über einen Ersatz gemacht werden können.
Andere Rißfühlertechniken, beispielsweise die Anordnung von optischen Fasern quer über den Rißwachstumspfad und deren Befestigung an der Meßanordnung, so daß sie schnappen, wenn der Riß sie erreicht, können zur Anzeige des Rißwachstums verwendet werden, indem z.B. die Integrität der einzelnen Fasern oder die Menge des übertragenen Lichtes, das zunehmend abnimmt, wenn die Fasern eines Bündels zunehmend wegschnappen, überwacht werden.
Während die in den Figuren 11 bis 17 illustrierten Meßanordnungen 112 getrennt für die Befestigung an Strukturen hergestellt werden, ist es möglich, Meßanordnungen integral mit einer Struktur zu bilden. Wo dies möglich ist, ist es aus einer Anzahl von Gründen bevorzugt. Ein Grund besteht darin, daß das Material der Meßanordnung dasselbe wie das der Struktur wäre und so keine Ungleichheit der Ermüdungseigenschaften besteht. Ein anderer Grund besteht darin, daß keine Beeinträchtigung der Integrität der Struktur durch die Befestigung der Meßanordnung gegeben ist, während gleichzeitig keine Möglichkeit besteht, die Meßanordnung fehlerhaft zu befestigen, sie beispielsweise nicht fest genug anzuschrauben, oder daß sie sich im Betrieb lockert oder daß eine falsche Meßanordnung angepaßt wird.
Eine derartige integrale Meßanordnung ist in Figur 19 illustriert und weist ein streifenförmiges Teil 191 mit einem ausgelösten Riß 194 auf, die durch Füße 193 an einer Struktur 192 befestigt ist, wobei das Ganze in dieser Gestalt geformt oder in anderer Weise gebildet wird, wie durch Funktenerosion oder andere Bearbeitungstechniken.
Einige oder alle der in Beziehung zu der streifenförmigen Meßanordnung nach den Figuren 11 bis 19 beschriebenen Merkmale können in gleicher Weise bei den in den anderen Figuren gezeigten Meßanordnungen angewendet werden, wo dies angemessen ist.
Es wird erkannt, daß Ermüdungsversagen und Rißausbreitung nicht genau vorhergesagt werden können, und daß eine Streuung hinsichtlich der Ermüdungsausfallzeiten von überwachten Strukturen sowie hinsichtlich der Geschwindigkeiten der Rißausbreitung in den Meßanordnungen besteht. Durch geeignete Qualitätsverwaltungstechniken bei der Herstellung der Meßanordnungen zur Steuerung der Produktform und der analytischen Gestaltung durch erforderlichen Zugriff zu Zuverlässigkeitsverfahren kann jedoch die Streuung der Ausbreitungsgeschwindigkeit auf einem Minimum gehalten werden, so daß das mittlere Verhalten der Meßanordnung so eng wie möglich dem mittleren Verhalten der Struktur angepaßt werden kann. Die verschiedenen Anhänge oder streifenförmigen Meßanordnungen können aus dem gleichen Material wie das überwachte Strukturelement oder aus unterschiedlichem Material hergestellt sein, so wie es jedes Zwischenteil sein kann. Die Wahl des Materials erfolgt in Übereinstimmung mit den Prinzipien der Bruchmechanik, die auf die Umstände der verschiedenen Ausführungsbeispiele der Erfindung angewendet werden, um ein Ermüdungsrißwachstum und ein Bruchverhalten zu geben, die für die besondere in Frage stehende Gestaltung erforderlich sind.
So weit es die Auswahl von Materialien betrifft, kann vorgesehen werden, daß ein Material gewählt wird, das beispielsweise unter wiederholter leichter Belastung weniger einem Ermüdungsversagen unterworfen ist als das Material des untersuchten Strukturelements, das aber unter größeren Belastungen schnell durchreißt, so daß die Meßanordnung nur eine Anzeige für größere Belastungen gibt. "Versagen" einer solchen Meßanordnung kann zur Anzeige verwendet werden, daß eine ermüdungsempfängliche Struktur einer ungewöhnlich großen Belastung unterworfen wurde, und daß es als unsicher betrachtet werden kann, sie für den Rest der normalen Lebensdauer weiter zu verwenden, und reif für einen frühen Ersatz.
Die gezeigten Ausführungsbeispiele können hergestellt werden unter Verwendung von Laser-Schneidtechniken, die besonders geeignet sind zum Schneiden der auslösenden Risse. Jedoch ist ein bevorzugtes Verfahren zur Ausbildung des ausgelösten Risses tatsächlich die Ermüdung der streifenförmigen Meßanordnung durch wiederholte, z.B. zyklische Belastung. Die Meßanordnung kann in einem Paar von Klemmbacken ergriffen oder anderweitig gehalten werden, so daß es einem periodischen Belastungsmuster unterworfen werden kann, um die Meßanordnung zu ermüden, bis ein Riß von beispielsweise einem oder zwei Millimetern an der gewünschten Position oder den gewünschten Positionen herbeigeführt ist, die typischerweise durch einen anfänglichen kleinen Schnitt oder Schlitz bestimmt ist bzw. sind.
Die gezeigten Ausführungsbeispiele können eine Wechselspannungsabfall-Rißerfassungsausrüstung oder irgend ein anderes Instrumentierungssystem enthalten, um einen Riß zu erfassen und wahlweise das Ausmaß des Risses zwischen dem ausgelösten Riß und dem Loch oder Schlitz zu messen.
Wie vorstehend bemerkt wurde, ist es wichtig, daß die Meßanordnung (ob befestigt oder integral) in geeigneter Weise vorgespannt ist. Der Grad der Vorspannung wird eingestellt unter Berücksichtigung des Zustandes des Teiles, wenn die Meßanordnung angebracht wird. Es ist hier festzustellen, daß, selbst wenn eine Meßanordnung integral ausgebildet ist, wie mit Bezug auf Figur 5 beschrieben ist, sie nicht notwendigerweise mit dem richtigen Pegel der Vorspannung ausgebildet sein muß, unter anderem wegen Abstimmungsspannungen.
Die Figuren 20 und 21 illustrieren Verfahren zum Vorspannen für befestigte Meßanordnungen.
Figur 20 illustriert eine streifenartige Meßanordnung 201 mit einem ausgelösten Riß 202. Die Meßanordnung 201 ist auf Blöcken 203 montiert, die durch Stifte 204 daran befestigt sind. Die Blöcke 203 werden an ein zu überwachendes Teil angeklebt. Vor dieser Befestigung jedoch werden die Blöcke 203 mittels abgeschrägter Keilelemente 205 um eine vorbestimmte Strecke auseinandergedrückt.
Figur 21 illustriert eine andere Meßanordnung, dieses Mal eine Folien-Meßanordnung 211, die auf beiden Seiten eines ausgelösten Risses 212 an Montageblöcke,n 213 festgeklebt ist. Abgeschrägte Keile 215 drücken wiederum die Blöcke 213 auseinander.
Die Keile können in jedem Fall relativ zueinander eingestellt werden, durch eine Schraubenanordnung 216, wie in Figur 21 gezeigt ist, oder auf jede andere geeignete Weise.
Ein anderes Verfahren zum Vorspannen ist vielleicht mehr geeignet für integrale Meßanordnung wie solche, die mit Bezug auf Figur 5 beschrieben sind, bei welchen es aufgrund der integralen Ausbildung nicht so einfach ist, den Vorspannungspegel durch eine einfache mechanische Einstellvorrichtung einzustellen. Bei diesem anderen Verfahren werden belastungsinduzierende oder belastungserleichternde Techniken auf den Körper der Meßanordnung angewendet wie durch lokale Erwärmung.
Der Pegel der erforderlichen Vorspannung kann in jedem individuellen Fall experimentell gefunden werden, obgleich er, wenn er einmal eingerichtet ist, durch mechanische Mittel ausgeführt werden kann, wie sie mit Bezug auf Figur 20 oder 21 beschrieben sind, oder durch deren mechanische Äquivalente.
Die gezeigten Ausführungsbeispiele können zusätzliche strukturelle Merkmale aufweisen, die enthalten sind zur Anpassung an besondere Anforderungen einer untersuchten Position, wie zusätzliche Schweißungen und/oder Löcher und/oder belastungskonzentrierende Fehler. Die Anhänge oder die Schlitze oder die Löcher können eine komplexere Gestalt haben als die in den Zeichnungen dargestellten, die nur rein veranschaulichend für die Prinzipien der Erfindung sind.

Claims

1. Verfahren zur Überwachung der Ermüdung in einem Konstruktionsteil (11), das ermüdungserzeugenden Beanspruchungen unterworfen ist, von denen jeder Beanspruchungsbereich Si über die Betriebsgeschichte ni-mal auftritt, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren die Überwachung eines Meßrisses umf aßt, der einer gleichartigen Betriebsgeschichte wie das Teil (11) unterworfen ist, wobei der Riß (bei 14 oder 17) in einer Meßanordnung (10) eingeleitet wird, die ausgewählt wird durch

Auswahl einer erwarteten Grundlebensdauer des Teils in der Form ciSimni entsprechend dem Teil angemessenen Kostruktionskriterien, und worin ci Faktoren sind, die die relativen Wirkungen auf die erwartete Lebensdauer verschiedener Beanspruchungs-Meßanordnungen kennzeichnen;

Auswahl einer Meßanordnungsfaktorfunktion, die festsetzt, wie sich der Meßriß unter den Beanspruchungen vergrößert, Anpassen des Schwellenwertverhaltens in der Meßanordnung an die Ermüdungsgrenze in der Struktur, und Begründen einer Meßanordnungskonstruktion, die diese Meßanordnungsfaktorfunktion hat;

Auswahl von Meßanordnungsmaterial und anderen Parametern, mit denen die Meßanordnung ausgeführt wird, so daß der Riß in der Meßanordnung zumindest für ciSimni enthalten sein wird; und

Auswahl eines Grades an Vorspannung, die erforderlich ist für die Enfaltung der Meßanordnung auf dem Teil, so daß die Vergrößerung des Meßrisses ciSimni entspricht, und Entfalten der Meßanordnung auf dem Teil mit dieser Vorspannung.

2. Verfahren nach Anspruch 1, in welchem alle ci gleich sind.

3. Verfahren nach Anspruch 2, in welchem ci Faktoren sind, die die relativen Wirkungen auf die erwartete Lebensdauer bei verschiedenen Beanspruchungsbereichen kennzeichnen.

4. Verfahren nach Anspruch 3, in welchem ci entsprechend einem modifizierten Palmgren-Miner- Linearschaden-Summierungsgesetz

ausgewählt werden, worin c&sub0; der Konstantamplituden-"Paris-Gesetz"-Koeffizent und Ni die maximalen Zahlen von aufrechterhaltbaren Zyklen für die Beanspruchungspegel Si sind.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, in welchem der Meßriß in einem Anhang des Teils ist.

6. Verfahren nach Anspruch 5, in welchem der Anhang die Form einer schlaufenartigen Meßanordnung hat.

7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, in welchem der Anhang einen Abstand voneinander aufweisende Befestigungspunkte hat und der Meßriß relativ zu diesen Punkten eingeleitet wird, so daß eine relative Versetzung dieser Punkte Beanspruchungen an der Stelle des eingeleiteten Risses ausübt, durch welche eine Vergrößerung des Risses bewirkt wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, in welchem die Meßanordnungsfaktorfunktion ausgewählt wird durch Auswahl der Form des Anhanges, um eine vorbestimmte gesteuerte Beziehung zwischen dem Beanspruchungsintensitätsfaktor am Riß im Anhang und der im Teil, an dem der Anhang befestigt ist, ausgeübten Beanspruchung vorzusehen.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 8, in welchem der Anhang so gestaltet ist, daß die Länge des Risses den summierten Ermüdungsschaden des Teils und das Verhältnis der verbrauchten Ermüdungslebensdauer anzeigt.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, in welchem der Meßriß integral in einem Teil der zu überwachenden Struktur vorgesehen ist.

11. Verfahren nach Anspruch 10, in welchem das Element mit einem rißhemmenden Loch oder Schlitz versehen ist, um das Wachsen des Risses zu begrenzen und das Teil gegen ein Ermüdungsversagen zu schützen.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, in welchem ein Rißanziehungsmittel wie ein Loch oder Schlitz vorgesehen ist, zu welchem der Riß von dem eingeleiteten Riß aus wächst.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, in welchem die Vergrößerung des Risses in Intervallen während der Betriebslebensdauer der Struktur untersucht wird.

14. Verfahren nach Anspruch 13, in welchem die Untersuchung visuell ist.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, in welchem die Vergrößerung des Risses kontinuierlich während der Betriebslebensdauer der Struktur überwacht wird.

16. Verfahren nach Anspruch 15, in welchem die Überwachung elektrisch, magnetisch oder akustisch durchgeführt wird.

17. Verfahren nach Anspruch 16, in welchem der elektrische Widerstand über den Rißbereich überwacht wird.

18. Gerät zum Überwachen der Ermüdung in einem Konstruktionsteil (11), das ermüdungserzeugenden Beanspruchungen ausgesetzt ist, von denen jeder Beanspruchungsbereich Si über die Betriebsgeschichte des Teils ni-mal auftritt, das eine Meßanordnung (10) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßanordnung (10) einen eingeleiteten Riß (bei 14 oder 17) hat, das Teil eine ausgewählte erwartete Grundlebensdauer in der Form ciSimni hat, die Meßanordnung (10) eine Meßanordnungsfaktorfunktion hat und aus einem Material besteht und ausgewählte Parameter hat, so daß sich der Riß unter den Beanspruchungen vergrößert und in der Meßanordnung zumindest für ciSimni enthalten sein wird, und einen ausgewählten Grad von Vorspannung hat, so daß die Vergrößerung des Meßrisses ciSimni entspricht.

19. Gerät nach Anspruch 18, in welchem alle ci gleich sind.

20. Gerät nach Anspruch 18, in welchem ci Faktoren sind, die die relativen Wirkungen auf die erwartete Lebensdauer bei verschiedenen Beanspruchungsbereichen kennzeichnen.

21. Gerät nach Anspruch 20, in welchem ci entsprechend einem modifizierten Palmgren-Miner-Linearschaden-Summierungsgesetz

22. Gerät nach einem der Ansprüche 18 bis 21, in welchem die Meßanordnungsfaktofunktion bestimmt ist durch die Meßanordnung (10), die so geformt ist, daß eine gesteuerte Beziehung zwischen dem eanspruchungsintensitätsfaktor am Riß in der Meßanordnung (10) und der ausgeübten Beanspruchung in der Struktur, an der die Meßanordnung (10) befestigt ist, erhalten wird.

23. Gerät nach Anspruch 22, mit im Abstand voneinander angeordneten Befestigungspunkten, die an dem Teil angebracht sind.

24. Gerät nach Anspruch 23, in welchem die Meßanordnung so geformt ist, daß eine vorbestimmte gesteuerte Geschwindigkeit der Rißvergrößerung entlang ihres Weges zwischen den Befestigungspunkten erhalten wird.

25. Gerät nach Anspruch 24, in welchem sich der eingeleitete Riß symmetrisch zwischen den Befestigungspunkten befindet.

26. Gerät nach einem der Ansprüche 18 bis 25, in welchem die Meßanordnung (10) symmetrisch zu einer Linie durch den eingeleiteten Riß geformt ist.

27. Gerät nach einem der Ansprüche 18 bis 26, welches eine Meßanordnung mit parallelen, endweise angeordneten Kanten aufweist, von denen eine den eingeleiteten Riß enthält.

28. Gerät nach Anspruch 27, in welchem die Meßanordnung die parallelen Kanten verbindende Kanten hat, die in Bezug auf die den eingeleiteten Riß enthaltende Kante konisch verlaufen.

29. Gerät nach einem der Ansprüche 18 bis 28, in welchem die Meßanordnung zumindest eine angezeigte Position hat, die einer Stufe der Rißvergrößerung entspricht.

30. Gerät nach Anspruch 29, in welchem solche angezeigte Position sichtbar markiert ist.

31. Gerät nach Anspruch 29 oder Anspruch 30, in welchem die angezeigte Position eine Position ist, an der an der Meßanordnung befestigte Sensormittel ein vorbestimmtes Ausgangssignal abgeben, das eine auf die Ermüdungsbelastung bezogene Information kennzeichnet.

32. Gerät nach einem der Ansprüche 18 bis 31, das mehr als einen eingeleiteten Riß aufweist, wodurch mehrere Positionen gegeben sind, an denen Risse wachsen können.

33. Gerät nach einem der Ansprüch 18 bis 32, welches eine schlaufenartige Meßanordnung mit einer brückenartigen Form aufweist.

34. Gerät nach einem der Ansprüche 18 bis 33, welches eine Meßanordnung aus Platten- oder Folienmaterial aufweist, das parallel zu einer Befestigungsfläche des Teils liegt.

35. Gerät nach einem der Ansprüche 18 bis 34, welches eine Meßanordnung aus Platten- oder Folienmaterial aufweist, das senkrecht von oder geneigt zu einer Befestigungsfläche des Teils vorsteht.

36. Gerät nach einem der Ansprüche 18 bis 35, in welchem die Meßanordnung an einem Zwischenglied befestigt ist, das selbst am Teil befestigt ist.

37. Gerät nach einem der Ansprüche 18 bis 36, in welchem die Meßanordnung eine Vorspannvorrichtung enthält.

38. Gerät nach Anspruch 37, in welchem die Vorspannvorrichtung eine geteilte, sich keilförmig verjüngende Vorspannvorrichtung aufweist.