LU601643B1 - Ein auf einer dreiachsigen Hopkinson-Druckstange basierendes elektromagnetisches Überwachungssystem und Verfahren für Prüfkörper - Google Patents

Abstract

Die Erfindung offenbart ein elektromagnetisches Prüfkörper-Überwachungsgerät basierend auf einer dreiachsigen Hopkinson-Druckstange und gehört zum technischen Bereich der Prüfung dynamisch mechanischer Eigenschaften von Werkstoffen. Das System umfasst einen Sockel, eine erste und eine zweite Positioniereinheit, in denen ein dreiachsiges Hopkinson-Druckstangensystem angeordnet ist. Dieses System besteht aus drei zueinander senkrecht stehenden Hauptdruckstangen, wobei jede Hauptdruckstange eine Impedanzstange und eine Transmissionsstange aufweist. An den dem Prüfkörper zugewandten Enden der Impedanz- und Transmissionsstangen sind elektromagnetische Induktionsspulen angebracht. Auf der Oberfläche des Sockels sind mehrere Schutzgehäuse montiert, oberhalb derer sich ein elektromagnetisches Überwachungsmodul befindet.Das auf einer dreiachsigen Hopkinson-Druckstange basierende elektromagnetische Prüfkörper-Überwachungsgerät verbessert durch die kombinierte Überwachung mittels elektromagnetischer Induktion und Strahlungssignalen sowohl die Messgenauigkeit als auch die Störfestigkeit. Gleichzeitig ermöglicht es eine flexible Belastung sowie eine effiziente Datenverarbeitung unter komplexen dreiachsigen Spannungszuständen und stellt somit ein zuverlässiges Instrument für die Untersuchung dynamischer mechanischer Werkstoffeigenschaften dar.

Description

Ein auf einer dreiachsigen Hopkinson-Druckstange basierendes LU601643 elektromagnetisches Uberwachungssystem und Verfahren für Priifkorper

Technischer Bereich

Die vorliegende Erfindung gehört zum technischen Bereich der Prüfung der dynamischen mechanischen Eigenschaften von Werkstoffen und betrifft insbesondere ein elektromagnetisches Überwachungssystem und -verfahren für Prüfkörper basierend auf einer dreiachsigen Hopkinson-Druckstange.

Technologie im Hintergrund

Die Hopkinson-Druckstangen-Technik (SHPB) ist seit ihrer Einführung ein zentrales experimentelles Verfahren zur Untersuchung des mechanischen Verhaltens von Werkstoffen unter hohen Dehnraten im Bereich der Materialwissenschaften. Sie spielt eine unersetzliche Rolle in zahlreichen Schlüsselbranchen wie Luft- und

Raumfahrt, Verteidigung, Verkehrswesen und anderen. Bei der herkömmlichen einachsigen Hopkinson-Druckstange erzeugt die Schlagstange durch Aufprall auf die

Impedanzstange eine Spannungswelle, die durch diese zum Prüfkörper weitergeleitet wird. Die durch den Prüfkörper hindurchtretende Welle wird von der

Transmissionsstange empfangen. Auf Basis der eindimensionalen

Spannungswellentheorie können so die mechanischen Eigenschaften von Werkstoffen unter einachsiger Stoßbelastung getestet werden.Mit der rasanten Entwicklung moderner Ingenieurtechnologien befinden sich Materialien in ihrer realen Anwendung jedoch häufig in komplexen, dreiachsigen Spannungszuständen, z.B. bei

Turbinenschaufeln von Flugtriebwerken, kritischen Knotenpunkten von

Brückenkonstruktionen oder Energieabsorptionsbauteilen bei

Hochgeschwindigkeitszügen. Die einachsige SHPB-Technologie kann den

Anforderungen zur Erforschung des realen mechanischen Verhaltens von Werkstoffen nicht mehr gerecht werden — die dreiachsige Hopkinson-Druckstange ist daher als

Weiterentwicklung entstanden.

Gegenwärtig steht die dreiachsige Hopkinson-Druckstangen-Messtechnik in der praktischen Anwendung noch vor mehreren technischen Herausforderungen. Auf der

Ebene der Sensortechnologie verlassen sich die gängigen Systeme hauptsächlich auf herkömmliche Sensoren wie Dehnungsmessstreifen zur Erfassung mechanischer

Signale. Diese basieren auf dem Widerstands-Dehnungseffekt von Metalldrähten:

Wenn sich der Prüfkörper verformt, ändert sich der Widerstand des auf der Oberfläche angebrachten Dehnungsmessstreifens, wodurch Dehnungsinformationen ermittelt werden können.Doch unter hohen Dehnraten hat diese Methode erhebliche

Einschränkungen: Erstens zeigt der Dehnungsmessstreifen aufgrund seiner Trägheit und der Klebeschicht eine verzögerte dynamische Reaktion, was eine präzise Erfassung der transitorischen mechanischen Signale in der Anfangsphase der Materialverformung verhindert. Zweitens ist die Messgenauigkeit stark von Umweltfaktoren abhängig. In

Umgebungen mit hoher Temperatur, Feuchtigkeit oder starker elektromagnetischer

Störung kann es zu Nullpunktdrift und einem Rückgang des Isolationswiderstands kommen. Bei einer elektromagnetischen Störstärke von 100 V/m kann der Messfehler eines Dehnungsmessstreifens beispielsweise auf 15%-20% ansteigen, was die

Zuverlässigkeit der Daten stark beeinträchtigt. Drittens handelt es sich bei

Dehnungsmessstreifen um —punktuelle Messmethoden, die nur lokale LU601643

Dehnungsinformationen an der Anbringungsstelle liefern und keine umfassende

Darstellung des mechanischen Verhaltens eines Prüfkôrpers unter dreiachsiger

Belastung ermôglichen — ein wesentlicher Nachteil bei der Untersuchung komplexer

Spannungsverteilungen und Verformungsmuster im Materialinneren.

Auch in Bezug auf die Konstruktionsgestaltung der Geräte bestehen Mängel hinsichtlich Flexibilität und Anpassungsfähigkeit. Die Sensorhalterungen sind meist fest verbaut, was einen schnellen Wechsel zwischen Prüfkôrpern verschiedener Formen (z. B. Würfel, Zylinder, Sonderformen) und Größen (von wenigen Millimetern bis zu mehreren Dezimetern) erschwert. Der Austausch erfordert oft eine vollständige

Neukonfiguration und Kalibrierung des Überwachungssystems, was zeitaufwendig ist, zusätzliche Fehlerquellen mit sich bringt und die Effizienz reduziert.

Zudem fehlt es den Geräten an einer optimierten Gestaltung der Ausbreitungswege für

Spannungswellen. An der Schnittstelle zwischen Druckstange und Prüfkörper kommt es leicht zu Reflexionen und Dispersionsphänomenen, was zu einer inhomogenen

Spannungsverteilung im Prüfkôrper führt und die Genauigkeit sowie

Reproduzierbarkeit der Ergebnisse beeinträchtigt.

Im Bereich der Signalverarbeitung sind die in herkömmlichen

Überwachungssystemen eingesetzten Algorithmen in der Regel einfach und beschränken sich meist auf grundlegende Filter- und Verstärkungsfunktionen. Diese reichen nicht aus, um charakteristische Informationen über das mechanische Verhalten von Werkstoffen unter komplexen Spannungszuständen zuverlässig zu extrahieren. So enthalten die Signale von Dehnungsmessstreifen während des dynamischen

Bruchprozesses von Materialien häufig erhebliche Störungen und Rauschen.

Konventionelle Algorithmen sind nicht in der Lage, die entscheidenden

Signalmerkmale wie Rissinitiierung und -ausbreitung präzise zu erkennen, was die

Forschung zur dynamischen Versagensmechanik erheblich einschränkt.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass bestehende dreiachsige Hopkinson-

Druckstangen-Messsysteme in Bezug auf Messgenauigkeit, dynamisches

Ansprechverhalten, Umweltresistenz, strukturelle Flexibilität sowie

Signalverarbeitungstiefe erhebliche Defizite aufweisen. Es besteht ein dringender

Bedarf an einem innovativen Überwachungssystem und -verfahren, um den modernen

Anforderungen der Materialwissenschaften an eine präzise Erfassung des mechanischen Verhaltens unter komplexen Spannungszuständen gerecht zu werden.

Inhalt der Erfindung

Der Zweck der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein elektromagnetisches

Prüfkörper-Überwachungsgerät und -verfahren basierend auf einer dreiachsigen

Hopkinson-Druckstange bereitzustellen, um die in der Hintergrundtechnik genannten

Probleme herkömmlicher Uberwachungssysteme — wie geringe Präzision, langsame

Reaktion, geringe Störfestigkeit sowie mangelnde strukturelle Anpassungsfähigkeit — zu lösen.

Zur Verwirklichung dieses Zwecks schlägt die Erfindung folgende technische

Lösung vor:Ein elektromagnetisches Prüfkörper-Überwachungsgerät basierend auf einer dreiachsigen Hopkinson-Druckstange, umfassend einen Sockel, eine erste und eine zweite Positioniereinheit, wobei in der ersten und zweiten Positioniereinheit ein LU601643 dreiachsiges Hopkinson-Druckstangensystem angeordnet ist. Das dreiachsige

Hopkinson-Druckstangensystem umfasst drei zueinander senkrecht angeordnete

Hauptdruckstangen, wobei jede Hauptdruckstange aus einer Impedanzstange und einer

Transmissionsstange besteht. An den dem Prüfkôrper zugewandten Enden von

Impedanzstange und Transmissionsstange ist jeweils eine elektromagnetische

Induktionsspule angebracht. Die Kontaktenden der Impedanz- und

Transmissionsstangen zum Prüfkôrper sind jeweils mit einer Pufferzone mit graduierter

Härte ausgestattet.

Auf der Oberfläche des Sockels sind mehrere Schutzgehäuse montiert. In jedem

Schutzgehäuse ist ein Zylinder installiert, wobei am Ausgang des Zylinders ein

Schutzkasten befestigt ist. Im Schutzkasten ist ein Schrittmotor montiert, auf dessen

Ausgangswelle ein elektromagnetisches Überwachungsmodul angebracht ist.

In einer weiteren Ausführungsform umfasst das elektromagnetische

Uberwachungsmodul mehrere elektromagnetische Sensoren, die um die drei

Hauptdruckstangen herum angeordnet sind, wobei jeder elektromagnetische Sensor mit einer Verbundabschirmstruktur ausgestattet ist, die aus einer inneren Schicht aus

Metallgeflecht und einer äußeren Schicht aus wellenabsorbierendem Material besteht.

In einer weiteren Ausführungsform ist im elektromagnetischen

Uberwachungsmodul zudem ein Signalerfassungs- und -verarbeitungssystem integriert, das aus einem Signalverstärker, einem einstellbaren Bandpassfilter und einem Analog-

Digital-Wandler besteht.

In einer weiteren Ausführungsform liegen die Positioniereinheit eins und die

Positioniereinheit zwei aneinander an, wobei sich an den korrespondierenden Stellen beider Positioniereinheiten mehrere Gewindebohrungen befinden, in denen

Befestigungsschrauben fixiert sind.

In einer weiteren Ausführungsform bestehen die drei Hauptdruckstangen aus einer x-Achsen-Hauptdruckstange, einer y-Achsen-Hauptdruckstange und einer z-Achsen-

Hauptdruckstange. Die Positioniereinheiten eins und zwei verfügen jeweils in x-, y- und z-Richtung über Bewegungsschlitze, in denen sich die Hauptdruckstangen bewegen können.

Ein Uberwachungsverfahren für ein elektromagnetisches Prüfkörper-

Überwachungsgerät basierend auf einer dreiachsigen Hopkinson-Druckstange umfasst die folgenden Schritte:

Schritt 1 — Vorbereitung und Installation des Prüfkôrpers:Der zu prüfende

Prüfkörper wird an der Schnittstelle der drei Hauptdruckstangen positioniert, das elektromagnetische Überwachungsmodul wird hinsichtlich Position und Winkel justiert.

Schritt 2 — Systemkalibrierung:Mit einem Standardprüfkörper erfolgt die

Kalibrierung. Dabei werden die Parameter des Signalerfassungs- und - verarbeitungssystems manuell eingestellt, um eine Zuordnung zwischen elektromagnetischen Signalen und mechanischen Parametern zu etablieren.

Schritt 3 — Stoßbelastung und Signalerfassung:Die Reihenfolge und Energiezufuhr der Belastung durch die Hauptdruckstangen wird festgelegt, anschließend werden die

Signale der elektromagnetischen Induktionsspulen und Sensoren erfasst und verarbeitet.

Schritt 4 — Datenverarbeitung und Analyse:Die erfassten Signale werden mit LU601643 klassischen Algorithmusmodulen einer Signalverarbeitungssoftware analysiert, um mechanische Parameter und dynamische Reaktionsinformationen des Prüfkôrpers zu ermitteln.

Schritt 5 — Ergebnisausgabe:Die mechanischen Leistungsparameter und dynamischen Reaktionsdaten des Prüfkôrpers werden zusammengefasst und ausgegeben.

In einer weiteren Ausführungsform wird im Schritt 3 das Signal durch das Signal- erfassungs- und -verarbeitungssystem verstärkt, gefiltert und einer Analog-Digital-

Wandlung unterzogen.

In einer weiteren Ausführungsform wird im Schritt 4 das elektromagnetische

Signal mittels Algorithnen wie der Fourier-Transformation und der

Korrelationsfunktionsanalyse analysiert und verarbeitet.

Technische Wirkungen und Vorteile der Erfindung:

Das elektromagnetische Prüfkörper-Überwachungssystem und -verfahren basierend auf einer dreiachsigen Hopkinson-Druckstange optimiert durch die einstellbaren elektromagnetischen Induktionsspulen und die Pufferzone mit graduierter

Härte sowohl die Signalinduktion als auch die Ausbreitungseigenschaften der

Spannungswellen. Dadurch können kleinste mechanische Veränderungen des

Prüfkörpers unter einem dreiachsigen Spannungszustand präzise erfasst werden. Im

Vergleich zu herkömmlichen Überwachungssystemen wird die Messgenauigkeit deutlich verbessert und präzisere Daten für die Untersuchung der mechanischen

Eigenschaften von Werkstoffen bereitgestellt.

Die Verbundabschirmstruktur und die flexibel einstellbare Konstruktion der elektromagnetischen Sensoren schirmen externe elektromagnetische Störungen effektiv ab und ermöglichen eine an die Prüfkôrpergeometrie angepasste

Sensorplatzierung. Dies gewährleistet eine hohe Signalzuverlässigkeit. Selbst unter starker elektromagnetischer Störeinwirkung wird das Signal-Rausch-Verhältnis deutlich verbessert, wodurch die Echtheit und Gültigkeit der Versuchsdaten sichergestellt wird.

Das Signalerfassungs- und -verarbeitungssystem nutzt fortschrittliche Hardware und Softwarealgorithmen zur schnellen Erfassung, präzisen Verarbeitung und tiefgehenden Analyse elektromagnetischer Signale. So können in kurzer Zeit große

Mengen experimenteller Daten effizient verarbeitet und analysiert werden, was die

Forschungseffizienz deutlich steigert.

Das dreiachsige Hopkinson-Druckstangensystem sowie das elektromagnetische

Überwachungsmodul des Geräts lassen sich flexibel an das Material, die Form und die

Größe des Prüfkörpers anpassen. Damit können unterschiedlichste Werkstoffe unter verschiedensten dreiachsigen Spannungszuständen getestet werden, was den

Anwendungsbereich der Vorrichtung erheblich erweitert und eine hohe Universalität und Praxistauglichkeit gewährleistet. Dieses auf einer dreiachsigen Hopkinson-

Druckstange basierende elektromagnetische Prüfkörper-Überwachungssystem und - verfahren verbessert durch die Kombination elektromagnetischer Induktion und

Strahlungssignalerfassung sowohl die Messgenauigkeit als auch die Störfestigkeit.

Gleichzeitig ermöglicht es eine flexible Belastung sowie eine effiziente LU601643

Datenverarbeitung unter komplexen dreiachsigen Spannungsbedingungen und stellt somit ein zuverlässiges Instrument für die Forschung zur dynamischen mechanischen

Werkstoffcharakterisierung dar. 5 Beschreibung der beigefügten Zeichnungen

Um die spezifischen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung oder die technischen Lösungen des Standes der Technik klarer zu erläutern, wird nachfolgend eine einfache Beschreibung der in den Ausführungsformen oder in der Beschreibung des Standes der Technik verwendeten Zeichnungen gegeben. Offensichtlich stellen die nachfolgend beschriebenen Zeichnungen lediglich einige Ausführungsbeispiele der

Erfindung dar. Für Fachleute auf diesem Gebiet ist es ohne erfinderischen Aufwand möglich, auf Grundlage dieser Zeichnungen weitere Zeichnungen zu erhalten.

Bild 1: Strukturübersicht der vorliegenden Erfindung;

Bild 2: Strukturübersicht der Positioniereinheit eins und Positioniereinheit zwei der vorliegenden Erfindung;

Bild 3: Explosionsdarstellung der Transmissionsstange der vorliegenden

Erfindung;

Bild 4: Schnittansicht des Schutzgehäuses und des elektromagnetischen

Überwachungsmoduls der vorliegenden Erfindung;

Bild 5: Explosionsdarstellung des elektromagnetischen Überwachungsmoduls der vorliegenden Erfindung.

In den Abbildungen: 1 — Sockel; 2 — Positioniereinheit eins; 3 — Positioniereinheit zwei; 4 — Impedanzstange; 5 — Transmissionsstange, 6 — Elektromagnetische

Induktionsspule; 7 — Pufferzone mit graduierter Härte; 8 — Schutzgehäuse; 9 — Zylinder; 10- Schutzkasten; 11 — Schrittmotor; 12 — Elektromagnetisches Überwachungsmodul; 13 — Elektromagnetischer Sensor; 14 — Abschirmschicht aus Metallgeflecht; 15 —

Wellenabsorbierende Materialschicht; 16 — Signalverstärker; 17 — Einstellbarer

Bandpassfilter; 18 — Analog-Digital-Wandler.

Detaillierte Beschreibung

In der folgenden Beschreibung werden zahlreiche spezifische Details aufgeführt, um ein umfassenderes Verständnis der vorliegenden Erfindung zu ermöglichen. Es ist jedoch für Fachleute auf diesem Gebiet offensichtlich, dass die Erfindung auch ohne eines oder mehrere dieser Details durchgeführt werden kann. In anderen Fällen wurden bestimmte bekannte technische Merkmale des Fachgebiets nicht beschrieben, um keine

Verwirrung mit der vorliegenden Erfindung zu stiften.

Sofern nicht anders ausdrücklich definiert, beziehen sich die in diesem Dokument verwendeten Richtungsangaben wie oben, unten, links, rechts, vorne, hinten, innen und außen auf die in den Figuren dargestellten Richtungen der Erfindung; dies sei hiermit klargestellt.

Die Erfindung stellt ein elektromagnetisches Prüfkörper-Überwachungsgerät basierend auf einer dreiachsigen Hopkinson-Druckstange bereit, wie in den Bildern 1— 5 dargestellt. Es umfasst einen Sockel 1, eine erste Positioniereinheit 2 und eine zweite

Positioniereinheit 3. Die Positioniereinheit 1 und die Positioniereinheit2 liegen einander an, wobei an den korrespondierenden Stellen mehrere Gewindebohrungen vorhanden sind, in denen Befestigungsschrauben fixiert sind. In den beiden LU601643

Positioniereinheiten ist ein dreiachsiges Hopkinson-Druckstangensystem integriert, das aus drei senkrecht zueinander angeordneten Hauptdruckstangen besteht, nämlich einer x-Achsen-, einer y-Achsen- und einer z-Achsen-Hauptdruckstange. Die

Positioniereinheiten2 und3 verfügen in den Richtungen x, y und z über

Bewegungsschlitze, durch die sich die Hauptdruckstangen bewegen lassen Jede

Hauptdruckstange besteht aus einer Impedanzstange 4 und einer Transmissionsstange 5.

Die Impedanzstange4 überträgt die durch die Schlagstange erzeugten

Spannungswellen auf den Prüfkôrper, während die Transmissionsstange 5 die durch den

Prüfkôrper hindurchgehenden Spannungswellen empfängt.

An den dem Prüfkôrper zugewandten Enden von Impedanzstange 4 und

Transmissionsstange 5 ist jeweils eine elektromagnetische Induktionsspule 6 angebracht. Diese Induktionsspulen 6 sind nach einem speziellen Wicklungsverfahren gefertigt, wobei Windungszahl, Drahtdurchmesser und Abstand zur

Prüfkörperoberfläche präzise an die Materialeigenschaften (wie elektrische

Leitfähigkeit und magnetische Permeabilität) sowie die Größe des Prüfkörpers angepasst werden können. Beispielsweise wird bei Prüfkörpern aus hochleitfähigem

Metall die Windungszahl reduziert, um eine Sättigung des induzierten Signals zu vermeiden; bei sehr kleinen Prüfkörpern wird der Abstand zur Oberfläche verringert, um die Induktionswirkung zu verstärken.Die Kontaktenden der Impedanz- und

Transmissionsstangen 4 und 5 sind jeweils mit einer Pufferzone mit graduierter Härte 7 versehen. Diese besteht aus Schichten unterschiedlicher Härte und verbessert die

Gleichmäßigkeit der Spannungswellenausbreitung im Prüfkôrper, verringert

Spannungskonzentrationen und erhôht somit die Genauigkeit der Messergebnisse.

Auf der Oberfläche des Sockels 1 sind mehrere Schutzgehäuse 8 mittels Schrauben befestigt. In jedem Schutzgehäuse 8 1st über Schrauben ein Zylinder 9 installiert, dessen

Ausgangsende mit einem Schutzkasten 10 verbunden ist. Im Schutzkasten 10 ist ein

Schrittmotor 11 eingebaut, der über einen Rotationswinkel von +180° verfügt. Auf der

Ausgangswelle des Schrittmotors 11 ist oben ein elektromagnetisches

Uberwachungsmodul 12 montiert. Das elektromagnetische Uberwachungsmodul 12 umfasst mehrere elektromagnetische Sensoren 13, die um die drei Hauptdruckstangen herum angeordnet sind. Die Sensoren 13 sind räumlich versetzt verteilt, sodass sie elektromagnetische Strahlungssignale des Prüfkôrpers unter dreiachsiger

Spannungsbelastung aus allen Richtungen erfassen können.Jeder elektromagnetische

Sensor 13 ist mit einer Verbundabschirmstruktur ausgestattet, die aus einer inneren

Abschirmschicht aus Metallgeflecht 14 und einer äußeren Schicht aus wellenabsorbierendem Material 15 besteht. Die Abschirmschicht 14 blockiert effektiv niederfrequente externe elektromagnetische Störungen, während die Schicht aus absorbierendem Material 15 hochfrequente Streustrahlen absorbiert und so eine stabile elektromagnetische Umgebung für die Sensoren 13 schafft. Die elektromagnetischen

Sensoren 13 sind höhen- und winkelverstellbar, sodass sie flexibel an Prüfkörper unterschiedlicher Form und Größe angepasst werden können und eine umfassende

Signalerfassung gewährleisten.

Im elektromagnetischen Überwachungsmodul 12 ist ferner ein Signalerfassungs-

; und -verarbeitungssystem integriert, das aus einem Signalverstärker 16, einem LU601643 einstellbaren Bandpassfilter 17 und einem Analog-Digital-Wandler 18 besteht. Das

Signalerfassungs- und -verarbeitungssystem ist mit einem externen Computer verbunden. Die von den elektromagnetischen Induktionsspulen6 und den elektromagnetischen Sensoren 13 erfassten schwachen elektrischen Signale werden zunächst dem Signalverstärker 16 zugeführt. Dieser verwendet eine mehrstufige

Verstärkerschaltung, die je nach Signalstärke automatisch den Verstärkungsfaktor anpasst, um eine verzerrungsfreie Signalverstärkung sicherzustellen.Das verstärkte

Signal wird anschließend im einstellbaren Bandpassfilter 17 gefiltert. Durch Anpassung der Schaltungsparameter lässt sich das Durchlassband präzise definieren, um

Störsignale effektiv zu entfernen und die für die mechanischen Eigenschaften des

Prüfkörpers relevanten Signalkomponenten zu erhalten. Das gefilterte Analogsignal wird durch den Analog-Digital-Wandler 18, der über hohe Abtastrate und hohe

Auflösung verfügt, in ein digitales Signal umgewandelt. Dadurch kann der

Datenverarbeitungsrechner das Signal zügig und präzise analysieren.Im Computer ist speziell entwickelte Signalverarbeitungssoftware installiert, die verschiedene moderne

Analysealgorithmen integriert — darunter schnelle Fourier-Transformation (FFT),

Wavelet-Analyse und digitale Filterung. Diese ermöglichen eine Echtzeitanalyse und - verarbeitung der elektromagnetischen Signale, sodass relevante Kennwerte wie

Spannung, Dehnung und Verformung des Prüfkörpers extrahiert und entsprechende dynamische Verlaufskurven erzeugt werden können.

Zusätzlich kann das Gerät je nach Einsatzbedarf mit einem Trigger- und

Steuersystem ausgestattet werden, das aus einem Auslöser und einem Steuercomputer besteht. Der Auslöser verwendet ein elektromagnetisches Auslöseprinzip, bei dem durch Ein- und Ausschalten des Stroms ein Trigger-Signal erzeugt wird, das die

Schlagstange mit einer vorgegebenen Geschwindigkeit gegen die Impedanzstange 4 antreibt und so eine Stoßbelastung erzeugt. Der Steuercomputer dient zur präzisen

Steuerung der Stoßreihenfolge, Energie und Zeitintervalle der drei Hauptdruckstangen.

Über die Benutzeroberfläche des Steuercomputers kann der Benutzer flexibel das

Ladeverfahren festlegen, z. B. sequenzielles, synchrones oder alternierendes Laden, und gleichzeitig alle Ladeparameter in Echtzeit überwachen. Darüber hinaus tauscht der Steuercomputer Daten mit dem Signalerfassungs- und -verarbeitungssystem aus, um eine präzise Synchronisation zwischen Lade- und Erfassungsprozess sicherzustellen und Messfehler durch zeitliche Abweichungen zu vermeiden.

Die in dieser Erfindung verwendeten Normteile sind handelsüblich erhältlich.

Sonderbauteile können gemäß der Beschreibung und den beigefügten Zeichnungen individuell angefertigt werden. Die spezifischen Verbindungsarten der einzelnen

Komponenten erfolgen über im Stand der Technik etablierte Verfahren wie

Schraubverbindungen, Nieten oder Schweißen. Maschinen, Bauteile und Geräte entsprechen gängigen Modellen aus dem Stand der Technik. Auch die

Schaltungsverbindungen beruhen auf konventionellen Methoden, sodass auf eine ausführliche Beschreibung verzichtet wird. Die Steuerung der Erfindung erfolgt über einen Controller, dessen Steuerungsschaltung durch einfaches Programmieren durch

Fachleute auf diesem Gebiet realisierbar ist. Inhalte, die in dieser Beschreibung nicht im Detail ausgeführt werden, gelten als dem Fachpersonal bekannte Techniken des LU601643

Standes der Technik.

In der Beschreibung dieser Erfindung ist zu verstehen, dass die angegebenen

Richtungs- oder Lageangaben auf den in den Zeichnungen dargestellten Verhältnissen beruhen. Diese dienen lediglich der Vereinfachung der Beschreibung und stellen keine

Einschränkung hinsichtlich einer bestimmten Ausrichtung oder Konstruktion des

Geräts oder seiner Komponenten dar. Eine solche Interpretation soll daher nicht als beschränkend für den Schutzumfang der Erfindung verstanden werden.

Funktionsprinzip:

Das auf einer dreiachsigen =— Hopkinson-Druckstange basierende elektromagnetische Überwachungssystem und -verfahren sieht vor, dass der zu testende

Prüfkörper in eine geeignete Form und Größe gebracht und anschließend an der

Schnittstelle der drei Hauptdruckstangen positioniert wird. Dabei muss der Prüfkörper eng an den Stirnflächen der Hauptdruckstangen anliegen. Nach Auslösung des Triggers im Trigger- und Steuersystem schlägt die externe Schlagstange mit hoher

Geschwindigkeit auf die Impedanzstange 4 auf und erzeugt eine Spannungswelle. Am

Beispiel der x-Achsen-Hauptdruckstange: Die durch den Aufprall erzeugte

Spannungswelle wandert entlang der Impedanzstange 4 in Richtung des Prüfkörpers.

Da die drei Hauptdruckstangen senkrecht zueinander stehen, kann eine dreiachsige dynamische Belastung des Prüfkörpers realisiert werden, was eine realitätsnahe

Nachbildung komplexer Spannungszustände in technischen Anwendungen ermöglicht.

Die auf den Prüfkörper übertragene Spannungswelle führt zu dessen Verformung und

Spannungsänderung.

Unter der Stoßbelastung verändert sich die Struktur des Prüfkörpers, z.B. die

Elektronenverteilung und das Kristallgitter, was zur Entstehung elektromagnetischer

Signale führt. Die elektromagnetischen Induktionsspulen 6 an den dem Prüfkörper zugewandten Enden der Impedanzstangen 4 und Transmissionsstangen 5 erfassen diese

Signaländerungen. Gleichzeitig erfassen die elektromagnetischen Sensoren 13 des elektromagnetischen Überwachungsmoduls 12, die in verschiedenen Richtungen rund um den Prüfkôrper verteilt sind, kontinuierlich die vom Prüfkörper unter dreiachsiger

Spannungsbelastung emittierten elektromagnetischen Strahlungssignale. Diese enthalten Informationen über den mechanischen Zustand des Prüfkörpers.

Die von den Induktionsspulen6 und Sensoren 13 empfangenen schwachen elektrischen Signale werden zunächst in das Signalerfassungs- und - verarbeitungssystem eingespeist. Dort werden sie vom Signalverstärker 16 verstärkt, vom einstellbaren Bandpassfilter 17 gefiltert, um Störsignale zu entfernen, und schließlich vom Analog-Digital-Wandler 18 in digitale Signale umgewandelt. Diese gelangen zur Auswertung in den Rechner. Die dort installierte

Signalverarbeitungssoftware analysiert und verarbeitet die elektromagnetischen

Signale in Echtzeit mithilfe von Algorithmen wie schneller Fourier- Transformation und

Wavelet-Analyse. Auf Grundlage der bei der Systemkalibrierung hergestellten

Korrelation zwischen elektromagnetischen Signalen und mechanischen Parametern werden die Signale in mechanische Kennwerte wie Spannung, Dehnung und

Verformung übersetzt. Gleichzeitig werden Kurven wie Spannungs-Zeit- und

Dehnungs-Zeit-Diagramme erzeugt, um dynamische Informationen über den LU601643

Verformungs- und Schädigungsverlauf des Prüfkôrpers — z. B. Zeitpunkt und Ort von

Rissbildung und -ausbreitung — zu analysieren.

Der Steuerrechner im Trigger- und Steuersystem kontrolliert präzise die

StoBreihenfolge, Energiezufuhr und Zeitintervalle der drei Hauptdruckstangen. Zudem ist er mit dem Signalerfassungs- und -verarbeitungssystem verbunden, wodurch sichergestellt wird, dass die Signalerfassung exakt synchron mit dem Auftreffen der

Schlagstange beginnt. Auf diese Weise können die aufgezeichneten elektromagnetischen Signale die mechanischen Veränderungen des Prüfkôrpers unter definierter Belastung exakt widerspiegeln.

Obwohl Ausführungsbeispiele dieser Erfindung gezeigt und beschrieben wurden, ist es für Fachleute auf diesem Gebiet ersichtlich, dass verschiedene Änderungen,

Modifikationen, Ersetzungen und Varianten dieser Ausführungsformen vorgenommen werden können, ohne vom Geist und Grundgedanken der Erfindung abzuweichen. Der

Schutzumfang der Erfindung wird durch die beigefügten Patentansprüche und deren

Aquivalente definiert.

Claims (8)

Ansprüche LU601643

1. Ein elektromagnetisches Prüfkörper-Überwachungsgerät basierend auf einer dreiachsigen Hopkinson-Druckstange, umfassend einen Sockel (1), eine erste Positioniereinheit (2) und eine zweite Positioniereinheit (3), dadurch gekennzeichnet, dass: in der ersten Positioniereinheit (2) und der zweiten Positioniereinheit (3) ein dreiachsiges Hopkinson-Druckstangensystem angeordnet ist, das drei zueinander senkrecht stehende Hauptdruckstangen umfasst, wobei jede Hauptdruckstange eine Impedanzstange (4) und eine Transmissionsstange (5) enthält, an dem dem Prüfkörper zugewandten Ende der Impedanzstange (4) und der Transmissionsstange (5) jeweils eine elektromagnetische Induktionsspule (6) angebracht ist, und an den Kontaktenden zur Probe jeweils eine Pufferzone mit graduierter Härte (7) vorgesehen ist; auf der Oberfläche des Sockels (1) sind mehrere Schutzgehäuse (8) installiert, in denen sich jeweils ein Zylinder (9) befindet, wobei das Ausgangsende des Zylinders (9) mit einem Schutzkasten (10) verbunden ist, in dem ein Schrittmotor (11) montiert ist, auf dessen Abtriebswelle sich oben ein elektromagnetisches Überwachungsmodul (12) befindet.

2.Das elektromagnetische Prüfkörper-Überwachungsgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass: das elektromagnetische Überwachungsmodul (12) mehrere elektromagnetische Sensoren (13) umfasst, die um die drei Hauptdruckstangen herum angeordnet sind, wobei jeder elektromagnetische Sensor (13) mit einer Verbundabschirmstruktur versehen ist, bestehend aus einer inneren Abschirmschicht aus Metallgeflecht (14) und einer äußeren Schicht aus wellenabsorbierendem Material (15).

3.Das elektromagnetische Prüfkörper-Überwachungsgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass: im elektromagnetischen Überwachungsmodul (12) ein Signalerfassungs- und -verarbeitungssystem integriert ist, bestehend aus einem Signalverstärker (16), einem einstellbaren Bandpassfilter (17) und einem Analog- Digital-Wandler (18).

4.Das elektromagnetische Prüfkörper-Überwachungsgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass: die erste Positioniereinheit (2) und die zweite Positioniereinheit (3) aneinander anliegen und sich an den korrespondierenden Stellen mehrere Gewindebohrungen befinden, in denen Befestigungsschrauben eingesetzt sind.

5.Das elektromagnetische Prüfkörper-Überwachungsgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass: die drei Hauptdruckstangen eine x-Achsen-, y-Achsen- und z-Achsen-Hauptdruckstange sind, und dass die Positioniereinheiten (2) und (3) in den Richtungen x, y und z jeweils mit Bewegungsschlitzen zur Bewegung der Hauptdruckstangen versehen sind.

6. Ein Überwachungsverfahren basierend auf einem der in den Ansprüchen 1 bis 5 genannten Geräte, dadurch gekennzeichnet, dass es die folgenden Schritte umfasst: Schritt 1 — Vorbereitung und Installation des Prüfkörpers: Der zu prüfende Prüfkörper wird an der Schnittstelle der drei Hauptdruckstangen positioniert, das elektromagnetische Überwachungsmodul (12) wird hinsichtlich Position und Winkel justiert;

Schritt 2 — Systemkalibrierung: Mit einem Standardprüfkörper erfolgt die LU601643 Kalibrierung, indem die Parameter des Signalerfassungs- und -verarbeitungssystems manuell angepasst werden, um eine Zuordnung zwischen elektromagnetischen Signalen und mechanischen Parametern herzustellen; Schritt 3 — Stoßbelastung und Signalerfassung: Die Reihenfolge und Energie der Belastung durch die Hauptdruckstangen wird festgelegt, die Signale der elektromagnetischen Induktionsspulen (6) und Sensoren (13) werden erfasst und verarbeitet; Schritt 4 — Datenverarbeitung und Analyse: Die erfassten Signale werden mit klassischen Algorithmusmodulen einer Signalverarbeitungssoftware analysiert, um mechanische Parameter und dynamische Reaktionsinformationen des Prüfkörpers zu erhalten; Schritt 5 — Ergebnisausgabe: Die mechanischen Leistungsparameter und dynamischen Reaktionsdaten des Prüfkörpers werden zusammengefasst und ausgegeben.

7. Das Überwachungsverfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass: im Schritt 3 das Signalerfassungs- und -verarbeitungssystem (bestehend aus Signalverstärker (16), einstellbarem Bandpassfilter (17) und Analog-Digital-Wandler (18)) die Signale verstärkt, filtert und in digitale Signale umwandelt.

8. Das Überwachungsverfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass: im Schritt 4 elektromagnetische Signale mittels Algorithmen wie Fourier- Transformation und Korrelationsfunktionsanalyse analysiert und verarbeitet werden.