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Die vorliegende Erfindung bezieht
sich auf eine Vorrichtung zur Materialprüfung, insbesondere zur ausseraxialen
Prüfung
von anisotropen Materialien. Unter ausseraxialer Prüfung versteht
man hier Prüfungen,
während
welcher eine Belastung, wie z. B. eine Zugkraft oder eine Kompression,
auf anisotrope Materialien in andere Richtungen als die eventuellen
Symmetrieachsen des Materials ausgeübt wird.
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Die Erfindung kann für verschiedene
anisotrope Materialarten verwendet werden, insbesondere Verbundwerkstoffe
mit Matrix und Faserverstärkung und
laminierte oder geschichtete Verbundwerkstoffe.
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Unter den Verbundwerkstoffen, die
aus einer durch eine Matrix verdichteten Faserverstärkung bestehen,
wird besonders auf diejenigen hin gezielt, in welchen die Faserverstärkung aus
Fasern besteht, die in eine oder mehrere Richtungen orientiert sind und
dadurch Symmetrieachsen des Werkstoffes definieren. Das ist der
Fall bei Verstärkungen,
die aus Gewebelagen, oder aus Gelegen aus unidirektionalen Fäden oder
Seilen bestehen. Beispiele von solchen Verbundwerkstoffen zur Verwirklichung
von tragenden Teilen, die dazu bestimmt sind, erhöhten mechanischen
oder thermomechanischen Belastungen ausgesetzt zu werden, sind Werkstoffe
vom Typ C-Phenol (Kohlenstofffaserverstärkung verdichtet mit einer
Phenolmatrix), Werkstoffe vom Typ C-C (Kohlenstofffaserverstärkung verdichtet
mit einer Kohlenstoffmatrix) und Verbundwerkstoffe mit Keramik-Matrix
oder CMC (Verstärkung
aus hitzebeständigen
Fasern, verdichtet mit einer Keramikmatrix).
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Unter den laminierten oder geschichteten Werkstoffen
wird ganz besonders auf diejenigen hin gezielt, welche durch eine Überlagerung
von Schichten verschiedener, untereinander verbundener isotroper
Materialien gebildet werden, zum Beispiel Laminate aus Metall/Kautschuk,
in welchen sich die Symmetrieachsen in den Schichtebenen oder senkrecht
zu diesen befinden können.
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Die oben erwähnten Verbundwerkstoffe, ebenso
bestimmte laminierte Materialien, werden in verschiedenen Bereichen
angewendet, insbesondere im Bereich der Luftfahrt, in welchen sie
starken mechanischen oder thermomechanischen Belastungen unterworfen
sind. Das ist z. B. der Fall bei Verbundwerkstoffen, die dazu bestimmt
sind, Teile des Antriebs zu bilden (Körper des Antriebs, Düsen...) oder
laminierte Materialien, die dazu bestimmt sind, Anschläge für Düsenschwenkung
zu bilden.
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In einer solchen Anwendung, ebenso
wie in anderen Anwendungen, wo ähnliche
Anforderungen bestehen können,
ist es wichtig, so genau wie möglich
das Verhalten von Materialien unter Belastungen zu untersuchen,
besonders, um bestmöglich
die Teile zu planen und zu bemessen, um ihr Gewicht soweit wie möglich zu
reduzieren, in Hinblick auf Gewichtsbeschränkungen, Abmessungen und Kosten.
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Ein klassisches Verfahren zur Untersuchung eines
Materials besteht in der Herstellung eines Probestücks mit
einem länglichen
Körper,
welcher mit einem Kopfstück
an jedem Ende ausgestattet ist, und der Montierung des Probestücks in einem
Prüfgerät durch
Verbinden von Anschlußstücken des
Geräts mit
jeweils einem Kopfstück
des Probestücks,
um auf das Probestück
eine Belastung in Längsrichtung,
wie eine Zugkraft oder eine Kompression, zu übertragen.
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Mit anisotropen Materialien entsteht
ein Problem, wenn die Belastungsrichtung nicht mit einer Symmetrieachse
des Materials übereinstimmt
(ausseraxiale Prüfung),
weil die Hauptrichtungen der Spannung und der Verformung nicht übereinstimmen.
Die 1A und 1B verdeutlichen dieses Problem. 1 zeigt ein Probestück 10 eines
Verbundmaterials mit Faserverstärkung
in Form eines Stabs mit einem länglichen
Körper 11,
der an seinen Enden mit Kopfstücken 12 und 13 ausgestattet
ist. Das Probestück 10 weist
eine Faserverstärkung
aus planen Schichten auf, die parallel zur Oberfläche des
Probestücks übereinander
gelagert sind. Die Schichten bestehen aus Gelegen aus unidirektionalen
Fasern, die entsprechend einer Achse A, welche einen Winkel θ mit der
Längsrichtung
L des Probestücks
bildet, ausgerichtet sind. Eine Zugbelastung in Richtung L wird auf
das Probestück 10 durch
Anschlußstücke, die an den
Kopfstücken 12 und 13 befestigt
sind und mit einem Prüfgerät verbunden
sind, ausgeübt.
Die Nicht-Übereinstimmung
der Richtungen A und L der Spannungen und Verformungen hat eine
Heterogenität
des Spannungsfeldes zur Folge sowie eine "S"-förmige Torsionsverformung
des Probestücks
in den fixierten Anschlußstücken, wie
in 1B gezeigt. In dieser
Abbildung ist die ursprüngliche
Form des Probestücks
in gestrichelten Linien gezeigt. Die heterogenen Kräfte, die
sich während
der ausseraxialen Prüfung
entwickeln, führen
zu fehlerhaften Interpretationen der experimentellen Daten, die
den Gesetzmäßigkeiten
der anisotropen Materialien nicht entsprechen.
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Um dieses Probem zu lösen, wurde
ein Aufbau wie in 2 gezeigt
von J. P Boehler et al. vorgeschlagen in einem Artikel mit dem Titel "Hétérogénité des champs des contraintes
et de déformations dans
les matériaux
anisotropes", Rheologie
dse Matériaux
anisotrope, Compte Rendu 19e Colloque GFR, Paris nov. 1984,
Editions CEPADUES, Toulouse 1986, p. 131–150. In diesem Aufbau sind
die Kopfstücke 22 und 23 des
Probestücks 20 mit Schneiden 22a und 23a ausgestattet,
während
die Anschlußstücke 25, 26 die
Form von Steigbügeln
haben und mit den Schneidenhalterungen 25a und 26a verbunden
sind, die jeweils eine Einkerbung haben, gegen deren Kerbe die Schneide 22a, 23a drückt.
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Während
des Prüfversuchs
erlaubt der Aufbau eine Rotationsverformung der Kopfstücke des Probestücks um die
Achsen, die durch die Kanten der Keilstücke entstehen, und die Freiheit,
die den Kopfstücken
des Probestücks
gegeben wird, erlaubt es, homogene Spannungsfelder und homogene
Verformungen über
die Länge
des Körpers 21 des
Probestücks
zu erhalten.
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Diese Lösung wirft jedoch eine gewisse
Anzahl von Schwierigkeiten auf.
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Erstens ist es notwendig, die Schneiden
auf jedem Probestück
zu bilden, was die Vorbereitung der Prüfung beträchtlich verlängert.
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Außerdem ist die Position der
Rotationsachsen der Kopfstücke
durch die Position der Schneiden auf dem Probestück fixiert. Für jede gewünschte Konfigura tion
ist es daher notwendig, eine bestimmte Geometrie des Probenstücks vorzusehen.
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Weiterhin macht es die unvermeidliche
Fixierung der Schneiden während
des Versuchs unmöglich,
eine lineare Auflage zu erhalten und verursacht eine immer bedeutendere
Reibung. Die Bearbeitung der Schneiden sowie das Ausmaß der Reibung
können
nicht kontrolliert werden, so daß die Reproduzierbarkeit der
Versuche nicht garantiert werden kann.
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Schließlich birgt der Aufbau ein
Risiko einer winkelmäßigen Instabilität, welches,
zusammen mit den anderen oben erwähnten Schwierigkeiten, den Aufbau
unbrauchbar für
die Materialprüfung
im industriellen Maßstab
macht.
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Aus dem Dokument DE-C-671 954 ist
ebenfalls eine Vorrichtung zur Zugprüfung bekannt, in welcher die
Anschlußstücke so erstellt
sind, daß eine Verformung
der Probestücke
durch Rotation der Kopfstücke
um Mittelpunkte, welche im Körper
des Probestücks
liegen, ermöglicht
wird, so daß Verbiegungsbelastungen
des Probestücks
vermieden werden. Jedes Kopfstück
des Probestücks
ist mit einem Gewinde ausgestattet und mit einem ersten Teil verschraubt,
das eine gekrümmte
zylindrische oder sphärische
Fläche
aufweist, die auf einer gleich geformten Fläche gelagert ist, die von einem
zweiten Teil gebildet wird, welches mit dem Prüfapparat verbunden ist.
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Mit dieser Vorrichtung ist die Fähigkeit
zur Verformung durch Rotation der Kopfstücke des Probestücks durch
Reibung zwischen den führenden Kontakt-Oberflächen der
Anschlußstücke gegeben. So
eine Reibung stellt eine bedeutsame Ursache für Abnutzung dar, die es auch
in diesem Fall nicht erlaubt, die Reproduzierbarkeit der Versuche
zu garantieren.
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Die vorliegende Erfindung hat zum
Ziel, diese Nachteile aufzuheben, durch Bereitstellen einer Vorrichtung
zur Prüfung
von anisotropen Materialien, insbesondere von Verbundmaterialien,
die zuverlässiger,
leicht zu verwirklichen und für
eine industrielle Anwendung geeignet ist.
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Dieses Ziel wird erreicht durch eine
Vorrichtung, aufweisend zwei Anschlußstücke mit jeweils einem erstem
Teil, der dazu bestimmt ist, mit einem Kopfstück des Probestücks verbunden
zu werden, und einem zweiten Teil, der dazu bestimmt ist, mit der Prüfungsmaschine
verbunden zu werden, eine Vorrichtung, in welcher, in jedem Anschlußstück das erste
und das zweite Teil miteinander verbunden sind über eine Verbindung, die mindestens
einen Rotationsfreiheitsgrad um eine Rotationsachse quer zur Längsrichtung
der Belastung erlaubt, die auf der Aussenseite des zweiten Teils,
auf der gegenüberliegenden
Seite des ersten Teils, liegt, so daß im Verlauf eines Versuchs
eine Verformung des Werkstücks durch
Neigung jeden Kopfstückes
in Bezug auf den Körper
des Werkstückes
um die entsprechende Rotationsachse ermöglicht wird, so daß parasitäre Spannungen
ausgeglichen werden können,
die durch die Nicht-Übereinstimmung
zwischen der Belastungsrichtung und einer Symmetrieachse des Materials
verursacht werden, wobei die Verbindung zwischen dem ersten Teil
und dem zweiten Teil jedes Anschlußstücks eine Rolle aufweist, die
frei drehbar am zweiten Teil angebracht ist und zwischen den zylindrischen
Oberflächen
des ersten Teils geführt
wird.
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Daher können mit einer solchen Vorrichtung die
Probestücke
in Standardformen erzeugt werden, wobei sich verschiedene Orte der
Rotationsachsen anbieten, entweder durch verschiedene Anordnungen
der Rotationsachsen oder durch mehr oder weniger tiefes Positionieren
des Probestücks
in den Anschlußstücken. Außerdem kann
die Verbindung zwischen dem Probestück und dem Anschlußstück auf übliche Weise
verwirklicht werden und stellt kein Risiko der Instabilität oder der
Abnutzung durch Reibung dar, was für die Reproduzierbarkeit der
Prüfungen
schädlich
wäre.
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Es können auch gekrümmte Führungsflächen mit
einer sich ändernden
Krümmung
erzeugt werden, so daß die
Position der Achse am Drehpunkt eines Kopfstücks des Probestücks im Verlauf
der Drehung desselben sich ändern
kann. Diese Anordnung erlaubt es, die Eliminierung von parasitären Zwängen zu
optimieren.
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Die Erfindung wird besser verständlich anhand
der nachstehenden Beschreibung, die beispielhaft aber nicht limitierend
ist.
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Auf den angefügten Zeichnungen:
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zeigen 1A und 1B – wie bereits beschrieben – ein Probestück von anisotropem
Material ohne Belastung bzw. unter ausseraxialer Belastung durch
die fixierten Anschlußstücke.
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zeigt 2 – wie bereits
beschrieben – eine Einrichtung
zur ausseraxialen Prüfung
von anisotropen Materialien gemäß dem Stand
der Technik;
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ist 3 eine
schematische Draufsicht einer ersten Ausführungsform einer Vorrichtung
zur Prüfung
gemäß der Erfindung;
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ist 4 eine
Explosionszeichnung der unterschiedlichen Bestandteile eines Anschlußstücks der
Vorrichtung in 3;
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zeigen 5A und 5B ein Probestück von anisotropem
Material ohne Belastung bzw. unter ausseraxialer Belastung durch
die Vorrichtung der 3.
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3 zeigt
eine Prüfungsvorrichtung,
aufweisend zwei Anschlußstücke 35, 36,
welche die Kopfstücke 32, 33 eines
Probestücks 30 aus
anisotropen Material, in Form eines flachen Stabs, umschließen, während 4 eine Explosionsansicht der
Bestandteile des Anschlußstücks 35 zeigt,
wobei das Anschlußstück 36 eine
vergleichbare Konfiguration besitzt.
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Jedes Anschlußstück 35, 36 weist
ein erstes Teil 351, 361 auf, welches starr mit
einem Kopfstück des
Probestücks
verbunden ist, und ein zweites Teil 352, 362,
welches starr mit einer entsprechenden Platte 41, 42 der
Prüfungsmaschine
verbunden ist, in diesem Fall ein Zugprüfungsmaschine (unvollständig dargestellt).
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Jedes der ersten Teile 351, 361 weist
einen Führungsweg 353, 363 auf,
der aus einer bogenförmigen Öffnung gebildet
ist, welche durch zwei Flächen
in Form konzentrischer Zylinderflächen von Kreissegmenten begrenzt
ist. Die zweiten Teile 352, 362 haben die Form
von Steigbügeln,
in welchen Rollen 354, bzw. 364, frei drehbar
angebracht sind. Die Rollen 354, 364 werden jeweils
von Nadellagern in koaxialen Bohrungen gehalten, die in den Flügeln des
Bügel 352,
respektive 362 gebildet sind. Der Durchmesser der Rollen 354, 364 entspricht
ungefähr
der Größe der Führungswege 353, 363,
so daß die
Rollen darin rollen können
ohne zu rutschen.
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Jedes erste Teil 351, 361 weist
eine Aussparung 356, 366 auf, in welcher ein Kopfstück des Probestücks aufgenommen
werden kann und von der einen Seite der Aussparung 356a, 366a und
einem Haltestück
oder Gegenstück 357, 367 durch
Schrauben 358, 368 umschlossen gehalten werden
kann.
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Jedes zweite Teil 352, 362 weist
einen zylindrischen Kopf 359, 369 auf, der mitten
aus der den Flügeln
entgegengesetzten Seite des Bügels
herausragt. Ein Rohr 43, 44 verbunden mit einer
Platte 41, respektive 42, der Prüfungsmaschine
ist auf dem zylindrischen Kopf eingerastet und ist daran mit einem Bolzen 45, 46 befestigt.
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Das Probestück 30 ist in der Prüfungsmaschine
durch Umschließen
der Kopfstücke 32, 33 zwischen
den ersten Teilen 351, 361 und den Haltestücken 357, 367 der
Anschlußstücke angebracht. 5A zeigt ein Probestück 30 aus
anisotropem Material, ähnlich
dem aus 1A, sowie – schematisch – die relativen
Positionen der Führungswege 535, 363 und
der Rollen, 354, 364. Das Material des Probestücks 30 ist
z. B. ein Verbundmaterial mit Faserverstärkung, wobei die Fasern entlang
einer Symmetrieachse mit einem Winkel θ zur Längsrichtung des Körpers des
Probestücks
orientiert sind, wobei diese Fasern parallel zu den Flächen des
Probestücks sind.
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Während
der Zugbelastung führt
die Fähigkeit
der Rollen 354, 364, sich im Führungsweg 353, 363 zu
drehen, dazu, daß die
Kopfstücke 32, 33 sich in
Bezug auf den Körper 31 des
Probestücks
durch Drehung um eine Rotationsachse R, die senkrecht zur Fläche des
Probestücks
ist, frei verformen können
(5B). Das führt zu einem
homogenen Belastungsfeld im Körper
des Probestücks
und zur Abwesenheit einer Torsionsverformung desselben. Die Rotationsachse
R ist hier definiert wie die Achse der zylindrischen Flächen, die
einen Führungsweg
festlegen. 5B zeigt,
wie, durch Rollen der Rollen 354, 364, die Teile 351, 361 der
Anschlußstücke den
Verformungen der Kopfstücke
des Probestücks
folgen, wobei parasitäre
Zwänge
an den Kopfstücken
freigegeben werden. In 5B ist
die ursprüngliche
Form des Probestücks
als unterbrochene Linie gezeichnet.
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In dem in 5A und 5B gezeigten
Beispiel liegen die Rotationsachsen R im nutzbaren Bereich des Probestücks, d.
h. im Körper 31,
benachbart zur Verbindung mit den Kopfstücken, 32, 33.
Es ist notwendig, daß die
Achsen außerhalb
des ersten Stücks 351, 361 der
Anschlußstücke 35, 36 auf
der entgegengesetzten Seite der zweiten Teile liegen, damit sie
sich nicht in aufgrund der Fixierung auf den Anschlußstücken unbelasteten
Bereichen befinden. Gemäß der speziellen
Anforderungen der jeweiligen Prüfung,
z. B. Prüfung
der elastischen Zugbelastung, Prüfung
der Belastung mit Beschädigung
des Materials, können
die Positionen der Rotationsachsen mehr oder weniger tief im nutzbaren
Teil des Probestücks
gewählt
werden. Zu diesem Zweck ist es ausreichend, unterschiedliche angepaßte Anschlußstücke, d.
h. unterschiedliche Sätze
von Führungswegen
zu verwenden, oder andernfalls das Probestück mehr oder weniger tief im
Anschlußstück zu befestigen,
wobei die Probestücke
alle in gleicher Form erzeugt werden können. Es ist außerdem erwähnenswert,
daß die
Montage des Probestücks
im Anschlußstück einfach
und schnell ist und keine winkelmäßige Instabilität aufweist.
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Im vorangegangenen Beispiel bietet
die Montage des Probestücks
an jedem Ende einen einzigen Rotationsfreiheitsgrad um eine senkrecht
zur Fläche
des Probestücks
stehende Achse. Diese Montage eignet sich, wenn das vorliegende
Material des Probestücks
eine Symmetrieachse aufweist, die parallel zur Fläche des
Probestücks
ist.
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Schließlich ist es erwähnenswert,
daß sich die
Anordnungen der 3, 4 nicht nur zur Durchführung von
Zugprüfungen,
sondern auch zur Durchführung
von Kompressionsprüfungen
eignen.
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Im oben Erwähnten sind die Führungsflächen, in
welchen die Rollen ohne zu rutschen rollen, kreiszylindrisch oder
kugelförmig
und definieren somit für
jedes Kopfstück
des Probestücks
eine fixe Rotationsachse oder einen fixen Rotationspunkt.
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Zum besseren Freigeben von parasitären Zwängen kann
es vorzuziehen sein, daß die
Position des Rotationspunktes oder der Rotationsachse verändert wird,
z. B. durch fortlaufendes Verlängern
des entsprechenden Endes des Probestücks je nach Verformung des
an diesem Ende befindlichen Kopfstückes.
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Zu diesem Zweck werden die Führungsflächen mit
einem sich ändernden
Krümmungsradius ausgestattet,
z. B. kontinuierlich oder schrittweise vom Zentrum zu den Seiten
ansteigend.
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Selbstverständlich kann die Lage der Rotationsachse
oder des Rotationspunkts der oben betrachteten Richtung entgegengesetzt
verändert
werden.