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GEBIET DER
ERFINDUNG
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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Messen der Scherung im Kern
eines Sandwich- oder Mehrschichtenaufbaus gemäß dem Oberbegriff von Anspruch
1. Dieser kann Lagen oder Schalen aus homogenen oder porösen Werkstoffen,
Verbundwerkstoffen oder dergleichen aufweisen. Der Mehrschichtenaufbau
kann beispielsweise in einem Bootsrumpf angewendet werden und weist
dann für
gewöhnlich zwei
harte Außenschichten
und mindestens eine dazwischenliegende Abstandsschicht auf, wobei
sein Innerstes bzw. sein Kern für
gewöhnlich
aus Balsaholz oder aufgeschäumtem
Kunststoff hergestellt ist. Die Messvorrichtung kann zur statischen
und dynamischen Messung der Scherung im Kernwerkstoff des Rumpfes
eingesetzt werden, um die Abmessungen während des Testvorgangs nachzumessen
oder Belastungen während
des Betriebs zu überwachen. Die
Messvorrichtung kann auch für
Messungen von Laborversuchsbelastungen auf Bauteile, wie beispielsweise
Plattenfelder für
Flugzeuge oder Fahrzeuge, die eine wabenförmige Schicht als Kern aufweisen,
verwendet werden. Die Aufbauten müssen natürlich nicht plattenfeldförmig ausgebildet
sein. Es kann sich um Bauteile mit einer Form nach Wahl, wie z.
B. Rahmen, Verstärkungselemente,
usw. handeln.
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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Zum
Messen der Scherung im Kernwerkstoff von Schiffsrumpfen mit einem
Mehrschichtenaufbau wird in den meisten Fällen gemäß dem Stand der Technik von
zylindrischen Stopfen Gebrauch gemacht, die einen Durchmesser von
35 mm des Kernwerkstoffs des Testgegenstands sowie eine Länge der
Dicke der Kernschicht aufweisen. In den Stopfen sind folienartige
Dehnungsmesser befestigt, die einen Neigungswinkel von 45 Grad zur
Achsenrichtung der Stopfen aufweisen. Die Stopfen sind in Löchern angeordnet,
die senkrecht durch eine der Außenschichten
und durch die Kernschicht gebohrt sind. Sie werden durch Kleben
in diesen Löchern
exakt ausgerichtet befestigt, so dass die Dehnungsmesser in einer
Richtung angeordnet sind, in der die maximale Dehnung auftritt.
Ebenen senkrecht zu dieser Richtung treten auf, wenn der Kernwerkstoff
einer Scherkraft ausgesetzt wird, wobei die Ebenen einen Neigungswinkel
von 45° zur
Zentralschicht der Kernschicht aufweisen, und beispielsweise in
rechtwinkligen Plattenfeldern in Sandwich-Bauweise entlang einem
Ring, der in unterschiedlichem Abstand von der Plattenfeldkante
angeordnet ist. Wenn der Kernwerkstoff aufgrund einer zu großen Scherbeanspruchung Risse
bildet, tritt dies überwiegend
in einer derartigen Ebene auf.
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Die
Verwendung derartiger Stopfen ist von Nachteil. Die Vorfertigung
und Installation von Stopfen, die nicht wiederverwendet werden,
ist teuer; zeitaufwändig
und erfordert besonders ausgebildetes Personal. Damit die relativ
großen
Löcher,
die in der Außenschicht
zur Installation hergestellt werden, die Festigkeit des Rumpfes
nicht auf unzulässige
Weise verringern, muss die Festigkeit der Schicht wiederhergestellt
werden, beispielsweise indem eine Abdeckung mit der selben Beschaffenheit
wie die Schicht über
dem Stopfen ausgebildet wird. Es ist schwierig, im Voraus die Richtung
der Ebenen zu bestimmen, in denen eine maximale Scherbeanspruchung
auftritt, so dass die Stopfen eine Befestigung mit einer zuverlässigen Ausrichtung
des Dehnungsmessers erhalten würden.
Der Einsatz erfordert eine teuere Kalibrierung und erzielt eine
geringe Genauigkeit. Bei einigen Kernwerkstoffen, wie z. B. einer
Wabenbauweise, kann der Dehnungsmesser gar nicht eingesetzt werden.
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Die
Druckschrift
US 4,481,902
A beschreibt eine Vorrichtung, die für die Überprüfung von überlappenden Verbindungen in
Konstruktions- oder Bauteilen ausgelegt ist. Die Vorrichtung weist
einen Abfühlstift
auf, der derart ausgelegt ist, dass er durch die überlappende
Verbindung in ein Loch oder ein Sackloch eingeführt werden kann. Die Vorrichtung
wird jedoch nur dann sichtbar, wenn die Scherung einen Schwellenwert übersteigt,
z. B. durch Hinausdrücken eines
farbigen pastenartigen Werkstoffs, oder durch Unterbrechen eines
elektrischen Schaltkreises, wenn der Abfühlstift zusammengedrückt wird.
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BESCHREIBUNG
DER ERFINDUNG
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TECHNISCHES
PROBLEM
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Es
ist die Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zum Messen der Scherung
im Kern von Mehrschichtenaufbauten ohne die vorstehend genannten
Nachteile bereitzustellen. Es sollte möglich sein, die Vorrichtung
ohne umfangreiche Vorbereitungsarbeit einzusetzen. Zuverlässige Messungen sollten
unabhängig
von der Ausrichtung der Befestigung der Vorrichtung an dem Versuchsgegenstand möglich sein.
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LÖSUNG
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Diese
Aufgabe wird durch Verwendung der Vorrichtung gelöst, welche
die in den anliegenden Ansprüchen
genannten Merkmale aufweist. Erfindungsgemäß wird eine Vorrichtung bereitgestellt,
die eine Messvorrichtung aufweist, die so ausgelegt ist, dass sie
in einen Hohlraum im Kern durch eine Öffnung in der Oberfläche des
Mehrschichtenaufbaus eingeführt
werden kann, und dass sie zumindest an einem Teil der Wandoberfläche anliegt,
welche den Hohlraum abgrenzt. Darüber hinaus weist die Vorrichtung
ein Messinstrument zum Messen des Winkels zwischen der Messvorrichtung
und einer Bezugsebene des Gegenstands oder zum Messen der Veränderung
dieses Winkels auf. Mit Hilfe des Messvorgangs kann eine Messung
der Scherbeanspruchung im dem an den Hohlraum angrenzenden Werkstoff
erhalten werden.
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1 zeigt eine Kernschicht
eines Plattenfeldes 1 in Sandwich-Bauweise, wobei ein Längsabschnitt
gezeigt ist. Es wird angenommen, dass das Plattenfeld aus einer
Reihe von Teilschichten 2 aus dem selben Werkstoff und
von der selben Dicke besteht, die aneinander befestigt sind. Durch
dieses Plattenfeld und somit durch alle Teilschichten ist ein zylindrisches
Loch 3 in den Längsabschnitt
gebohrt, vorzugsweise senkrecht zu den Richtungen der Ausdehnung
des Plattenfeldes. Eine Messvorrichtung 4 wird in das Loch
eingeführt.
Die Vorrichtung ist als zylindrischer Stab konstruiert, der den
selben Durchmesser wie das gebohrte Loch und eine derartige Länge aufweist,
dass er sich eine Distanz über
die Oberseite 5 des Plattenfeldes erstreckt.
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Wenn
der Werkstoff einer Scherung beispielsweise durch die unterste Schicht
des Plattenfeldes ausgesetzt wird, welches durch eine Kraft 6 beeinflusst
wird, die parallel zu der Schicht wirkt, und von der angenommen
wird, dass sie in Längsrichtung des
Plattenfeldes nach links in der Figur gerichtet ist, während die
oberste Schicht in Position gehalten wird, wird die zentrale Ebene
einer jeden Schicht um die selbe Distanz nach links in Relation
zu der nächstgelegen
Schicht darüber
verlagert. Da das Loch in jeder Teilschicht zusammen mit der Teilschicht
verlagert wird, folgt der Stab den Bewegungen der Teilschichten
und wird so um einen Winkel 7 gedreht, welcher im Idealfall
gleich dem Schwerwinkel der Scherung und proportional zur Scherbeanspruchung
ist. Auf der Oberseite der obersten Teilschicht, d. h. der Oberseite 5 des
Plattenfeldes, welches hier als Bezugsebene verwendet wird, wird
ein Instrument 8 zum Messen der Winkelveränderungen des
Stabs mit seiner Symmetrieebene in einer Ebene, die es mit dem Längsabschnitt
gemeinsam hat, angebracht. Das Instrument kann gemäß einem
beliebigen mechanischen, optischen oder elektrischen Prinzip arbeiten.
In dem letzten Fall kann es zwei elektrisch betriebene Messwertaufnehmer 9 von
der Konstruktion des Stands der Technik zur kontaktlosen Messung
an zwei verschiedenen Höhen
der Distanz von den Messwertaufnehmern zu dem Stab 4 aufweisen.
Durch Messungen mit Hilfe dieser Messwertaufnehmer und durch Kenntnis
der senkrechten Distanz zwischen den Messwertaufnehmern, können der
Winkel 7 und folglich die Scherbeanspruchung berechnet
werden. Falls zumindest ein weiteres Messinstrument 10 verwendet
wird, das in einer Richtung angeordnet ist, die sich von der Längsrichtung
des Plattenfeldes unterscheidet, ist es möglich, neben der Messung einer
Winkelveränderung
in einer Richtung nach Wahl, diese Richtung auch mit Hilfe der Beziehung
zwischen den Signalen der beiden Messinstrumente zu berechnen.
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Im
Falle anderer Formen des Testgegenstandes können auch andere Bezugsebenen
verwendet werden. Diese müssen
nicht auf der Außenfläche des
Gegenstands angeordnet sein. Der Versuchsgegenstand kann beispielsweise
durch drei abgesenkte Stellen in den Werkstoff gelangen, dessen Scherung
gemessen werden soll. Die Form der Messvorrichtung wie auch die
des Hohlraums sind nicht auf die Form in dem vorstehend beschriebenen Beispiel beschränkt. Falls
die Vorrichtung beispielsweise zum Drehen in einer mit dem Messinstrument verbundenen
Vorrichtung befestigt ist, müsste
die Vorrichtung nur an einer einzigen Stelle in Kontakt mit der
Begrenzungsfläche
des Hohlraums sein. Der Kontakt kann dann mit einer Federanordnung
auf der Messvorrichtung beibehalten werden. Eine derartige Elastizität ist auch
zum Zweck der Aufnahme der verlorenen Bewegung zur besseren Genauigkeit
angebracht.
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VORTEILE
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Erfindungsgemäß wird eine
kostengünstige und
leicht anwendbare Vorrichtung bereitgestellt, die ohne jeglichen
umfangreichen Vorbereitungsaufwand gute Werte der Scherung im Kern
eines Mehrschichtenaufbaus und der Richtung der Scherung liefert.
Das Loch für
den Stab und für
kleine Befestigungsschrauben für
die Vorrichtung, falls überhaupt welche
vorhanden sind, ist viel kleiner als die normalerweise im Rumpf
für Kabeleinführungen,
Schrauben zur Befestigung verschiedener Arten von Armaturen und
dergleichen ausgebildeten Löcher.
Aus diesem Grund wird dem Testgegenstand bei diesen Messungen im
Vergleich zu Messungen gemäß dem Stand
der Technik weitaus weniger Schaden zugefügt. Da das Messinstrument in
dem Versuchsgegenstand nicht versiegelt ist, ist es zur Wartung
und Überprüfung leicht
zugänglich,
was wichtig bei Langzeit-Messungen ist, bei denen die Messgenauigkeit der
Stopfen vermindert sein kann. Des Weiteren hat dies zur Folge, dass
die Vorrichtung wiederverwendbar ist, wodurch die Messkosten reduziert
werden.
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BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Eine
bevorzugte Ausführungsform
wird ausführlicher
mit Bezug auf 2 beschrieben.
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Es
zeigen:
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1 eine schematische Ansicht
der Vorrichtung zusammen mit einer lagenförmigen Platte aus Kernwerkstoff;
und
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2 eine Draufsicht auf eine
bevorzugte Ausführungsform
der Erfindung zur Messung der Scherwirkung im Kern eines Kunststoffrumpfes
in Sandwich-Bauweise.
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BESCHREIBUNG
DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
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In
der bevorzugten Ausführungsform
wird eine vereinfachte erfindungsgemäße Vorrichtung verwendet. Die
Vorrichtung kann lediglich für
Gegenstände
verwendet werden, die steife Außenschichten aufweisen,
wie beispielsweise einen Rumpf in Sandwich-Bauweise. Indem man die
Messvorrichtung, d. h. den Stab, in einer der Außenschichten anbringt, können die
Messinstrumente, die beide an der selben Außenschicht angebracht sind,
jeweils mit einem einzigen Messwertaufnehmer ausgestattet sein.
Als Ergebnis betragen die Kosten für die Messwertaufnehmer und
die damit verbundene elektronische Anordnung in dem vorstehend erwähnten Beispiel
ungefähr
die Hälfte.
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Ein
Abschnitt des Bodens des Rumpfes ist in 2 mit dem Bezugszeichen 11 bezeichnet.
Bei dem Abschnitt handelt es sich um einen Mehrschichtenaufbau,
der aus einer inneren Außenschicht 12 aus
einem steifen verstärkten
Kunststoff, einer Kernschicht 13 aus aufgeschäumtem Kunststoff
sowie einer externen Außenschicht 14 von
der selben Art wie die innere Außenschicht besteht. Ein zylindrisches Führungsloch
mit einem Durchmesser von 3 bis 4 mm wird durch die innere Außenschicht
und die Kernschicht gebohrt. Die auf diese Weise entstehenden Durchbohrungen
in der inneren Außenschicht und
der Kernschicht sind mit 15 und 16 bezeichnet.
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Die
Messvorrichtung 17 weist als Hauptbauteile eine Messvorrichtung
mit einem Stab 18 und einer Vorrichtung 22 zum
Bestimmen der Position des Stabs, eine Basis 19 und einen,
oder wie in der Figur gezeigt, zwei Messwert-Anzeigevorrichtungen (Messinstrumente) 20, 21 auf.
Der Stab 18 ist ein zylindrischer Metallstab, der einen
Durchmesser, der dem Durchmesser des Führungsloches entspricht, und
eine derartige Länge
aufweist, die die Einführung in
das Führungsloch 15, 16 die
gesamte Länge
bis zu der externen Außenschicht 14 erlaubt
und eine gewisse Distanz über
die innere Außenschicht
hinausragt, wobei die Distanz durch die Anforderungen an die Funktion
des Messinstruments bestimmt wird. Falls z. B. ein Wabenaufbau als
Abstandswerkstoff verwendet wird, muss das untere Ende des Stabs
befestigt werden, beispielsweise mit Hilfe eines elastischen Klebers,
an einem sich ausdehnenden Stopfen, der abwärts in Richtung des Lochbodens
eingeführt
wird, oder indem das Loch auch durch die andere Außenschicht
hindurchgebohrt wird.
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Die
Messwert-Anzeigevorrichtungen umfassen jeweils einen kontaktlosen
Enfernungs-Messwertaufnehmer 23 (der weiter entferntere
ist in der Figur nicht sichtbar). Die Positions-Bestimmungsvorrichtung
ist eine kubische Vorrichtung 22, die an dem vorspringenden
Teil des Stabs befestigt ist und so ausgelegt ist, dass sie die
Wirkungsweise der Entfernungs-Messwertaufnehmer verbessert. Die
Vorrichtung weist ein zylindrisches Loch auf, in das der Stab eingeführt wird,
sowie eine Anzugsschraube 24 zu ihrer Befestigung an dem
Stab.
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Die
Basis 19 ist eine stabile Befestigungsplatte 25 aus
Metall, auf deren Oberseite die Messwert-Anzeigevorrichtungen befestigt
sind, und eine Basisscheibe 26 aus einer dicken Metalltafel.
Die Basisscheibe ist mit einem zentralen Loch 27 und drei Stützen 28 ausgebildet,
die in die Metalltafel gedrückt werden
und äquidistant
entlang eines Kreises beabstandet angeordnet sind, wobei der Kreis
konzentrisch zu der Basisscheibe angeordnet ist. Die Befestigungsplatte
weist ein Loch 29 auf, durch das sich der Stab erstrecken
und frei bewegen kann, ebenso wie durch das Loch 27 der
Basisscheibe. Die Basisscheibe ist an der inneren Außenschicht
des Rumpfes mit Hilfe von drei konischen Befestigungsschrauben mit
Gewinde in den mit Löchern
ausgebildeten Stützen
befestigt. Nur eine dieser Schrauben 30 ist in der Figur
gezeigt. Die Befestigungsplatte ist seitlich einstellbar auf der
Oberseite der Basisscheibe mit Hilfe von drei Einstellschrauben
befestigt, die in die Basisplatte geschraubt werden, und von welchen
nur eine Schraube 31 gezeigt ist.
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Von
den Messwert-Anzeigevorrichtungen 20 und 21 führen Drähte zu einer
elektronischen Anordnung 32, die zur Regelung der Messung,
zur Umwandlung der Eingangssignale in Winkelgrößen und zur Darstellung dieser
Größen ausgelegt
ist.
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Verwendung
der Vorrichtung
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Nach
dem Bohren des Lochs durch die innere Außenschicht und die Kernschicht
wird die Kante des Lochs 15 der Außenschicht entgratet, so dass das
Loch als Schwenklager für
den in das Loch eingeführten
Stab wirken kann. Die Basisscheibe 26 ist mit den Stützen 28 an
der Außenschicht
mit Hilfe der zum Stab konzentrisch angeordneten Befestigungsschrauben 30 befestigt,
woraufhin die Befestigungsplatte 25 mit der Messwert-Anzeigevorrichtung
auf der Basisscheibe befestigt wird, und die Positions-Bestimmungsvorrichtung 22 auf
den Stab geschoben wird. Die elektronische Anordnung wird eingeschaltet,
und mit Hilfe von davon erhaltenen Werten wird die Befestigungsplatte
in seitlicher Richtung eingestellt, und die Positions-Bestimmungsvorrichtung
auf dem Stab wird in senkrechter Richtung und in Drehrichtung eingestellt,
so dass diese Vorrichtungen korrekte Startpositionen erhalten, bevor
der Messvorgang begonnen wird. Das Instrument kann kalibriert werden,
indem beispielsweise eine Muffe von der Konstruktion des Stands
der Technik auf kontrollierte Art und Weise auf die Positions-Bestimmungsvorrichtung
aufgezogen wird.
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In
den Kontaktpunkten, welche die drei Stützen mit der Außenschicht
haben, ist es möglich,
die Bezugsebene abzubilden, die bei dem Messvorgang verwendet wird.
Eine Bezugsebene, welche für
die Messgenauigkeit günstig
ist, auch wenn der Aufbau einer Krümmung unterzogen wird, wird
erhalten, wenn diese Kontaktpunkte im Wesentlichen äquidistant
von dem Stab beabstandet angeordnet sind und das Instrument mit
z. B. zwei Stützen
in einer Ebene parallel zur Krümmungsebene
angeordnet wird. Um zu verhindern, dass eine nichtlineare Scherung
im Kern die Krümmung
des Stabs und daraus resultierende Messfehler bewirkt, weist der
Stab einen Abschnitt 33 mit einem verringerten Durchmesser
auf der Höhe
des Zentralabschnitts des Kerns auf.
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Falls
die Vorrichtung nur eine Messwert-Anzeigevorrichtung aufweist, kann
sie um eine Normalachse zur Bezugsebene gedreht werden und sich durch
die Öffnung
des Hohlraums zu einer Position erstrecken, wo der Scherwinkel einen
Höchstwert
erreicht. Das Drehen kann bewerkstelligt werden, indem z. B. die
Löcher
in der Befestigungsplatte 25 für die Befestigungsschrauben 31 in
Form eines kreisförmigen
Bogens vorliegen.
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In
einem Vierpunkt-Zugversuch hat die Vorrichtung gute Ergebnisse erzielt.
Die Beziehung zwischen der Ausgangsspannung des verwendeten kontaktlosen
Entfernungsmessers und der Scherspannung ist linear. Als Ergebnis
können
genaue Messungen ohne umfangreiche Kalibrierungen durchgeführt werden.