WO2011157261A2 - Verfahren zur schwingungsarmen optischen kraftmessung, insbesondere auch bei hohen temperaturen - Google Patents

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    • G01N2203/0641—Indicating or recording means; Sensing means using optical, X-ray, ultraviolet, infrared or similar detectors
    • G01N2203/0647—Image analysis

Definitions

  • the present invention relates to a method of optical force measurement, for example in the field of high-speed tests and / or at high or low temperatures.
  • a high-speed test is understood to mean an experiment in which a material sample is subjected to a rapid, sudden load (rapid dynamic load) which leads to a change in geometry, in particular a change in length, of the material sample.
  • the invention also relates to an arrangement which is designed to carry out a method for optical force measurement.
  • characteristic values and flow curves for describing the deformation and deformation are used as input data for vehicle crash simulations for the materials used
  • the latter measurement technique is very expensive because of the instrumentation of each material sample ' , each with a strain gauge on the front and back and the required calibration.
  • a basic requirement is that the modulus of elasticity of the material to be investigated is not dependent on the strain rate, so that the application z. B. in plastics is not directly possible (this restriction does not apply to the method of EP 1 466 157 Bl).
  • the aforementioned measurement techniques are based on the use of strain gauges which are to be applied to the material robe (or to the special force measuring element).
  • the range of application is limited to the field of application of strain gauges, ie for conventional glued foil expansion strips approximately to a temperature range of -60 ° C to +200 ° C. ⁇ For experiments at higher temperatures, it is basically possible, for example in the case of metallic materials, to apply high-temperature strain gauges to any material sample by soldering or welding, but this is a very expensive and expensive solution.
  • this force measuring method should, in particular, also be suitable for determining the time-dependent force curve with high precision under fast, dynamic loads.
  • the object of the invention is, moreover, an arrangement with which the aforementioned optical force measuring procedure can be carried out.
  • the present invention will be described first in general, then by means of an embodiment.
  • the following description of the force measuring method is carried out primarily on a method for carrying out a high-speed test and the geometry changes in the course of such an experiment on a solid, for example in the form of changes in length.
  • the present invention can also be used outside the range of high-speed experiments, with the specific geometry change which is evaluated according to the invention being determined in each case from the type of test used (see below).
  • the predetermined (preferably one-to-one) force-geometry change relationship may in particular be Hooke's law. In principle, however, other, e.g. Non-linear relationships for determining the applied force in the context of the present invention evaluable.
  • the elastic range may be due to the hooke
  • the force-geometry change relationship described above is exploited, from an expansion (after suitable calibration or determination of the modulus of elasticity) the associated technical tension and from this with the corresponding output cross section at the measuring point on the sample, the corresponding force which causes this strain determine. This is done as described above according to the invention by optical means.
  • the basic idea of the present invention is therefore to optically record and evaluate a change in geometry in an elastic sample section (in particular: a strain measurement in a dynamometer part of the specimen that deforms exclusively elastically).
  • the optical detection can be especially useful in high speed trials e.g. mitopholfe a high-speed camera with high spatial and temporal resolution and the evaluation with a corresponding Schmanalysisso tware, as described in detail below, be performed with high accuracy.
  • a reversible change in length, in particular an extension or a shortening, of the elastic region is detected optically.
  • the predetermined force-geometry change relationship can thus be a relationship between a force effect and a reversible change in length in the elastic region caused by this force effect (eg Hooke's law).
  • table acquisition can also z.
  • high-speed tests such as shear tests
  • shear tests are used, which lead to a rotation, distortion and / or shear in the elastically deforming area, which can then be correspondingly optically recorded and evaluated.
  • the momentary state of the geometry of the elastic region caused in each case by a temporally varying acting force can be detected optically.
  • the instantaneous force acting on this instantaneous state of the geometry can then be calculated from the current geometry state by means of the predetermined force-geometry change relationship. According to the invention, a determination of the time-dependent force signal is thus possible.
  • At least two markings can be applied at a distance from one another.
  • two predetermined structures eg projections or trenches or also protruding surface textures in this area
  • These markers are then optically imaged at different acting forces. Positions and / or distances of these markings are evaluated in these different geometrical states, such as, for example, lengths of the elastic region reflecting optical images, ie positions and / or distances of these markings in the individual optical images are determined and for calculating changes in geometry in the elastic region evaluated.
  • the solid (material sample) can be a
  • Inelastisch deformable test area and have a material fit associated with and / or integrally formed with the test area dynamometer area.
  • the dynamometer area is then the area of the solid body which deforms purely elastically under the action of force and which is optically detected according to the invention.
  • two (or even more) temperature-resistant markings can be applied in the dynamometer part of the sample.
  • these markings can be lines, points, circles or crosses, or else contain stochastically distributed speckle patterns, as used, for example, in gray scale correlation analyzes which can be used as optical evaluation methods.
  • the width of the dynamometer range is generally much greater than the width of the test area described above, in order to obtain exclusively linear-elastic deformations in the dynamometer area until the sample breaks in the test area.
  • Video cameras can be used for recording, high-speed video cameras in particular can be used as optical measuring devices, but alternatively optical extensometers can also be used.
  • tensile tests in particular: high-speed tensile tests
  • an elongation as a function of the loading time can thus be recorded according to the invention.
  • Extension curves can be created from those on ⁇ drawings after exposure, the time-dependent Verlan- represent the load interval. It is essential that the corresponding geometric changes in high local-. and / or temporal resolution; This is especially with the use of high-speed video cameras with
  • Image acquisition rates of at least 10,000 images per second, preferably with at least 100,000 images per second ensured, usually at the same time a sufficiently large spatial resolution or a sufficiently large number of pixels (pixels) is required (eg 100 pixels in the measuring direction) to achieve sufficient measurement accuracy.
  • Other optical measuring methods such as, for example, laser-optical methods, are also suitable with adequate spatial and temporal resolution.
  • the forces caused by a dynamic and / or rapid loading of the material sample can be locally measured, during which load optical images of the elastic dynamometer area (that is, for example, the Markers in this area ⁇ can be generated by means of a camera, which can then be evaluated by means of an image analysis procedure, such as a gray value correlation analysis, on the basis of which evaluation the force which changes the geometry in the elastic range is calculated, as a rule using a calibration factor to be determined with at least one quasi-static preliminary test.
  • load optical images of the elastic dynamometer area that is, for example, the Markers in this area ⁇ can be generated by means of a camera, which can then be evaluated by means of an image analysis procedure, such as a gray value correlation analysis, on the basis of which evaluation the force which changes the geometry in the elastic range is calculated, as a rule using a calibration factor to be determined with at least one quasi-static preliminary test.
  • the dynamic and / or rapid loads may take the form of high-speed tests, in particular high-speed tensile tests, notched tensile tests, shearing tests and / or compression tests. be brought.
  • the test equipment that can be used for this purpose such as high-speed machines or
  • Impact devices are basically known to the person skilled in the art.
  • the geometry change in the dynamometer part against previously used force on at least one comparably instrumented and loaded material sample by means of conventional force measurement (for example with a load cell of the test device used) calibrated, ie a static calibration factor determined it can then be determined in the actual experiments on the basis of the recorded optical images of the time-dependent ("local") force curve.
  • the calibration is done in the elastic dynamometer part of the sample.
  • the calculation of the calibration factor is also possible with knowledge or assuming a constant modulus of elasticity using Hooke's law.
  • the calibration (or the determination of the predetermined force-geometry change relationship by static or quasi-static load of the solid) is advantageously carried out at external load speeds of ⁇ 0.1 m / s,
  • Example: In high-speed tensile test, the positions of the optical The selected markings can be evaluated with image analysis methods, from this the image of the time course of the local extension in the dynamometer part dL D (t) and the previously determined calibration factor ⁇ can be used to determine the desired local force curve F (t) ⁇ x dL D (t) who- the.
  • the present invention has the particular advantage that the method can also be carried out at temperatures of the solid which deviate greatly from the room temperature (for example, significantly above 200 ° C.). Of course that is. but also at room temperature, d. H. at 20 ° C, can be used.
  • the change in the distance of the markings applied in the test part can be recorded with an optical measuring device.
  • a measurement of a change in geometry in particular an extension dLp (t) or compression, can additionally be carried out in the test area of the sample.
  • This measurement in the test area of the be advantageously also visually, that is z. B. using high-speed cameras, done.
  • the force measurement according to the invention can thus be coupled with an extension or compression measurement in the test area of the sample in order to enable a comprehensive material characterization, for example in order to obtain a force extension curve.
  • This can be realized, in particular, by optically detecting and evaluating not only the elastic region of the sample, but at the same time and preferably with the same high-speed video recording and also the time profile of the technical strain in the test region of FIG
  • Sample is optically detected and evaluated by the determined extension dL P ⁇ t) is related to the test length L 0 : ⁇ (t) - dLp (t) / L 0 .
  • appropriate markings ie spaced apart from one another by L 0 ) in the test area of the sample are also to be applied or existing markings evaluated.
  • a tapered, non-reversibly deforming test region of the solid body (which is subjected to the same force as the elastic region of this test specimen) is thus also detected by measurement, wherein this detection advantageously also takes place optically.
  • both the force curve or the voltage curve o (t) and the strain curve in the test area of the sample ⁇ (t) can be measured simultaneously, so that, for example, the technical stress-strain curves ⁇ ( ⁇ ) to a crash-relevant material characterization and as input data for
  • Crash calculations can be determined (if necessary, also the true stress-strain curves on conversion assuming volume constancy in the region of the uniform mass).
  • the force is related to the output cross-section in the test area of the sample and the extension to the initial measuring length in the test area of the sample. With high-speed cameras with more than 100,000 images per second and a sufficient number of pixels, this allows a sufficient number of images even at high, crash-relevant strain rates or at correspondingly high, crash-like loading speeds, for example in the range of 20 m / s (possibly even beyond) gain per second as bases for the evaluation of reliable dynamic stress-strain curves.
  • the inventive method is applicable to flat tensile and round tensile specimens; depending on the sample size, the markings and the optical paths should be adapted to the situation.
  • an arrangement according to the invention for carrying out the method according to the invention comprises a test device for dynamically loading the material sample and an optical detection and evaluation device preferably having at least one camera ⁇ high-speed camera) for performing the optical detection and the subsequent calculations.
  • the method according to the present invention offers the following advantages in particular:
  • the process can also be used at high and low temperatures (especially at temperatures above 200 ° C).
  • the method provides inertia-free force measurement due to the "local" optical strain determination in the dynamometer part of the sample, allowing low-vibration force measurements even at high load speeds.
  • FIG. 1 an exemplary embodiment
  • FIG. 3 a variant thereof
  • FIG. 1 shows a material sample usable according to the invention together with applied markings.
  • FIGS. 1 and 2 shows a variant of the method shown in FIGS. 1 and 2, in which a double-sided sample scanning takes place.
  • FIG. 1 shows a material sample 1 suitable for carrying out a method according to the invention, here for example made of aluminum.
  • the material sample 1 is made in one piece and as an elongate sample body. forms and has at its two opposite longitudinal ends la and lb two thickened sections, which are designed for clamping in a high-speed SwitzerlandprüfVorraum.
  • the upper end 1a is designed for clamping into the fixed Probeneinwear 8a (Figure 2) of the test apparatus (fixed clamping area la), the down here shown, opposite end of the sample body 1 (accelerated clamping area lb of the sample) for clamping in the accelerated sample clamping 8b of the test device.
  • the dynamometer region 2 formed with the same cross-section as the fixed clamping region 1a and immediately adjacent to the latter, and the material on it (ie on the opposite side of the stationary clamping region 1a)
  • the test section of the material sample 1 is immediately adjacent to the dynamometer section 2). All the sections 1a, 2, 3 and 1b of the sample 1 are formed here together as a one-piece body, that is to say connected in a material-locking manner.
  • the accelerated clamping region 1b of the sample thus follows, which in turn is formed with the same cross section as the regions 1a, 2 of the sample.
  • test area 3 tapers toward the middle between the two adjacent areas 1b, 2, thus having a significantly reduced cross section there. Due to this significantly reduced cross section, the test area 3 of the sample can also be deformed beyond reaching the yield point (plastic deformation), without it being in the dynamometer area
  • FIG. 1 shows two line-shaped markings 4a, 4b, which are arranged at a distance from one another along the longitudinal axis of the sample 1 in the dynamometer region 2 of the sample. Since the sample 1 deforms purely elastically in the dynamometer region 2, these two markings 4 a, 4 b or the latter can be modified
  • two further marks 5a, 5b are on the same side of the sample, but centrally in the tapering section of the test area 3 of the sample
  • a high-speed camera In order to detect and evaluate the changes in the positions and / or the distances of the markers 4a, 4b, 5a, 5b, a high-speed camera is used
  • the grayscale correlation analysis which can be advantageously used, in particular for speckle markings and described here by way of example, as an optical measuring method, with which local changes, for example one
  • a graphic image of the displacement field is obtained, represented as a vector image or as an overlay grating; an associated protocol provides quantitative information for each evaluated point ⁇ positions, displacements and maximum correlation coefficients).
  • the data of the protocol can u. a. be used for the quantitative determination of components of the distortion sensor, from which the desired material properties such as the strain can be derived.
  • the longitudinal extent L k of the dynamometer section 2 is about 30 mm and the
  • the distance of the markers 4a, 4b is for example 20 mm.
  • the distance a of the two markings 5a, 5b in Test area 3 is 20 minutes here.
  • the total length L t of the sample here is about 150 mm.
  • FIG. 1 thus shows how according to the invention a
  • FIG. 2 outlines an arrangement according to the invention, which is designed for performing a method according to the invention ⁇ ahead, so for example, for optical imaging outlined in Figure 1.
  • the arrangement comprises at first a testing device, which is merely indicated here, with a fixed sample clamping 8a, in which the section 1a of the sample shown in FIG. 1 is fixed almost immovably (FIG. 2, upper center).
  • the testing device comprises an accelerated sample clamping 8b (FIG. 2, middle bottom), which is also merely indicated here, in which the section 1b of the sample 1 is movably fixed and where the dynamic loads are introduced by a suitable loading device.
  • the arrangement comprises a high-speed video camera 6, which is designed and arranged (possibly with additional optics not described in detail here), that both the test area 3 and the dynamometer area 2 of the sample 1 simultaneously and with very high time resolution or frame rate with sufficient number of pixels can be optically detected.
  • the arrangement finally includes one with the high speed video camera
  • the bidirectional data exchange associated evaluation device 9 for example, a computer system
  • the above-described Grauwertkorrelationsana- analysis of the camera 6 detected positions 4a, 4b, 5a, 5b is possible.
  • Form test device (possibly together with other optical elements used for multilateral imaging 7a, 7b, see Figure 3), the detection and evaluation ⁇ device of the arrangement.
  • FIG. 2 at the bottom right then outlines the stress-strain curve ⁇ ( ⁇ ) obtained from these two curves a (t) and ⁇ (t).
  • FIG. 2 thus shows the inventive principle of measurement technology for high-speed tensile tests with low-vibration local optical force and strain measurement.
  • FIG. 3 shows a variant of the present invention in which the determination of the aforementioned quantities ⁇ , ⁇ takes place on two opposite sides of the sample 1.
  • the procedure and arrangement are basically the same as in FIGS. 1 and 2 described below, so that only the differences are described below.
  • respective mirror arrangements 7a, 7b are arranged on these two sides of the sample, which are aligned so that from both opposite sides of the sample in each case a test area and a dynamometer area of the sample can be detected by the single high-speed camera 6.
  • the test area and the overlying dynamometer area of the first side Sl of the sample 1 are imaged via the mirror arrangement 7a into the receiving area of the camera 6 and the test area together with the adjacent dynamometer area of the opposite, second sample side S2 via the mirror arrangement 7b.
  • the image must be made in such a way that the two opposite sides of the sample are imaged onto separate image sections of the image acquisition unit of the camera 6 so that the position of the individual markings can be separated during the evaluation.
  • the signals can be averaged and used as a result. If there are greater deviations of both signals, the cause (for example, superimposed bending parts) must be located and corrected.
  • FIG. 3 thus shows an arrangement according to the invention for a two-sided optical force and strain measurement in high-speed tensile tests, with the aid of which bending parts with only one high-speed camera can also be detected.

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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur optischen Kraftmessung, bei dem ein elastisch verformbarer und/oder ein sich elastisch verformender Bereich (2) eines Festkörpers (1) durch Einwirkung einer Kraft einer Änderung seiner Geometrie unterworfen wird, die durch die Einwirkung der Kraft bewirkte Änderung der Geometrie des Bereichs (2) optisch erfasst wird und die die Änderung der Geometrie bewirkende Kraft anhand eines vorbestimmten, bevorzugt eineindeutigen Kraft-Geometrieänderungs-Zusammenhangs aus der optisch erfassten Änderung der Geometrie berechnet wird. Ebenso bezieht sich die Erfindung auf eine Anordnung zum Durchführen dieses Verfahrens.

Description

Verfahren zur schwingungsarmen optischen Kraftmessung, insbesondere auch bei hohen Temperaturen
Gebiet der Erfindung:
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur optischen Kraftmessung, beispielsweise im Bereich von Hochgeschwindigkeitsversuchen und/oder bei hohen oder niedrigen Temperaturen. Unter einem Hochgeschwindigkeitsversuch wird hierbei ein Versuch, bei dem eine Werkstoffprobe einer schnellen, plötzlichen Belastung (schnelle dynamische Belastung) unterworfen wird, die zu einer Geometrieänderung, insbesondere einer Längenänderung, der Werkstoffprobe führt, verstanden. Die Erfindung bezieht sich darüber hinaus auf eine Anordnung, die zum Durchführen eines Verfahrens zur optischen Kraftmessung ausgebildet ist . Stand der Technik und Nachteile bekannter Lösungen:
Im Allgemeinen wird zur Charakterisierung von Festkörpern (d. h. Werkstoffproben) und zur Gewinnung von Werkstoffkennwerten und/oder Werkstoffkennkurven" (beispielsweise: raft-Verlängerungs- oder Kraft- Stauchungskurven und/oder daraus abgeleitete technische und wahre Spannungs-Dehnungskurven oder Kennwerte wie Streckgrenze und Zugfestigkeit) bei statischen oder hinreichend langsamen Versuchen, wie z. B. bei genormten Zugversuchen, die Kraftmessung mit einer Kraftmesszelle der zum entsprechenden Zugversuch eingesetzten Prüfmaschine durchgeführt.
Beispielsweise in der Automobilindustrie werden jedoch als Eingangsdaten für Fahrzeug-Crashsimulationen für die eingesetzten Werkstoffe Kennwerte und Fließkurven zur Beschreibung des Verformungs- und
Versagensverhaltens bei crashrelevanten äußeren Belastungsgeschwindigkeiten bis etwa 20 m/s benötigt, die in den belasteten Komponenten/Bauteilen lokal hohe Dehnraten bis etwa 500 s_1 bewirken. Bei entsprechenden Hochgeschwindigkeitsversuchen mit Werkstoffproben zur Bestimmung der Werkstoffeigenschaften unter Crashbelastungen treten jedoch die folgenden Schwierigkeiten auf: Die Kraftmesszellen der Prüfmaschine reagieren entweder zu langsam oder haben zu geringe Verstärkerbandbreiten, um die schnellen Vorgänge detektieren zu können. Zudem werden die Kraftmesszellen durch die notwendigen schnellen, meist schlagartigen Krafteinleitungen in die zu prüfenden Festkörper aufgrund von Trägheitskräften zu starken Schwingungen angeregt. Aufgrund dieser Schwingungen entstehen stark oszillierende "globale" Kraftsignale, aus denen das tatsächliche Werkstoffverhalten nicht mehr sinnvoll ableitbar ist.
Aus dem Stand der Technik sind bereits Empfehlungen bekannt, wie dennoch, auch bei Hochgeschwindigkeitsversuchen, eine Kraftmessung erfolgen kann: So kann eine "quasi-lokale" Kraftmessung mit speziellen
Kraftmessgliedern, die schwingungsärmere Ergebnisse als die "globale" Kraftmessung liefern, erfolgen (s. beispielsweise EP 1 466 157 Bl) . Eine noch genauere
Kraftmessung lässt sich mit Dehnungsmessstreifen erzielen: Bei dieser "lokalen" Kraftmessung werden Dehnungsmessstreifen im Dynamometerteil der zu
prüfenden Festkörper bzw. Werkstoffproben eingesetzt, deren Dehnungssignal in statischen Vorversuchen im
Vergleich zu einer konventionellen Kraftmessung mit der Kraftmesszelle kalibriert werden kann.
Letztgenannte Messtechnik wird bei hohen Dehnraten von den aktuellen Richtlinien {W. Böhme: FAT- Richtlinie "Dynamische Werkstoffkennwerte für die Crashsimulation", Zeitschrift Materialprüfung,
Materials Testing, Carl Hanser Verlag, München, Vol. 50(4), Ξ. 199-205, 2008; Stahl-Eisen-Prüfblatt 1230 "Ermittlung von mechanischen Eigenschaften an Blechwerkstoffen bei hohen Dehnraten im Hochgeschwindigkeitszugversuch", Stahlinstitut VDEh, Düsseldorf, erste Ausgabe, 2007; DIN EN ISO 26203-2: 2009) als beste Möglichkeit empfohlen.
Insbesondere letztgenannte Messtechnik ist jedoch wegen der Instrumentierung jeder Werkstoffprobe ' mit je einem Dehnungsmessstreifen auf der Vorder- und Rückseite und der erforderlichen Kalibrierung sehr aufwendig. Zudem ist eine Grundvoraussetzung, dass der Elastizitätsmodul des zu untersuchenden Werkstoffs nicht von der Dehnrate abhängig ist, so dass die Anwendung z. B. bei Kunststoffen nicht direkt möglich ist (diese Einschränkung gilt nicht für das Verfahren nach EP 1 466 157 Bl). Zudem basieren die vorgenannten Messtechniken jeweils auf der Verwendung von Dehnungsmessstreifen, die auf der Werkstoff robe (oder auf dem speziellen Kraftmessglied) zu applizieren sind. Damit ist der Anwendungsbereich auf den Einsatzbereich von Dehnungsmessstreifen beschränkt, also bei konventionellen, geklebten Folien-Dehnuhgs- raessstreifen etwa auf einen Temperaturbereich von -60 °C bis +200 °C. {Für Versuche bei höheren Temperaturen ist es grundsätzlich, beispielsweise bei metallischen Werkstoffen, möglich, Hochtemperaturdehnungs- messstreifen auf jeder Werkstoffprobe durch Löten oder Schweißen zu applizieren, dies ist jedoch eine äußerst aufwendige und kostenintensive Lösung.)
Aufgabe der Erfindung:
Ausgehend vom Stand der Technik ist es daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur optischen Kraftmessung (das insbesondere im Bereich von Hochgeschwindigkeitsversuchen eingesetzt werden kann) zur Verfügung zu stellen, das es erlaubt, eine auf einen Festkörper (Werkstoffprobe ) einwirkende Kraft mit hoher Genauigkeit und in einem breiten Einsatzbereich (insbesondere: Temperaturbereich, ggf. aber auch Druckbereich) zu bestimmen. Dieses Kraft- messverfahren soll darüber hinaus insbesondere auch dazu geeignet sein, den zeitabhängigen Kraftverlauf bei schnellen, dynamischen Belastungen hochgenau zu bestimmen.
Aufgabe der Erfindung ist es darüber hinaus, eine Anordnung, mit der das vorgenannte optische Kraftmess- verfahren durchgeführt werden kann, zur Verfügung zu stellen .
Vorgeschlagene Lösung:
Die vorliegende Aufgabe wird durch ein Verfahren zur optischen Kraftmessung gemäß Anspruch 1 sowie durch eine entsprechende Anordnung gemäß Anspruch 15 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen lassen sich da- bei jeweils den abhängigen Ansprüchen entnehmen.
Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung zunächst allgemein, dann anhand eines Ausführungsbeispiels beschrieben. Die nachfolgende Beschreibung des Kraft- messverfahrens erfolgt dabei primär an einem Verfahren zum Durchführen eines Hochgeschwindigkeitsversuchs und den im Rahmen eines solchen Versuchs an einem Festkörper bestimmten Geometrieänderungen beispielsweise in Form von Längenänderungen. Die vor- liegende Erfindung lässt sich jedoch ebenso außerhalb des Bereichs von Hochgeschwindigkeitsversuchen einsetzen, wobei sich dann jeweils aus der verwendeten Versuchsart die hierfür spezifische Geometrieänderung, die erfindungsgemäß ausgewertet wird (s. nach- folgend} ergibt.
Auch müssen die beim konkreten Ausführungsbeispiel in einer speziellen Kombination gezeigten Einzelmerkmale der Anordnung und der durchgeführten einzelnen Ver- fahrensschritte im Rahmen der vorliegenden Erfindung nicht in der gezeigten Form verwirklicht werden, sondern können im Rahmen des durch die Patentansprüche vorgegebenen Schutzumfangs auch andersartig reali¬ siert sein: Insbesondere können einzelne der gezeig- ten Verfahrensschritte und/oder Merkmale auch anders gestaltet oder weggelassen werden. Darüber hinaus sind selbstverständlich auch andere Kombinationen der beschriebenen Einzelschritte und/oder Einzelmerkmale im Rahmen der vorliegenden Erfindung miteinander verwirklichbar.
Grundlegende Idee der■ orliegenden Erfindung:-
Diese Idee basiert darauf, die sich durch die Einwirkung einer Kraft in einem elastisch verformbaren Bereich eines Festkörpers ergebende Änderung der Geometrie dieses Festkörpers in diesem Bereich
optisch zu erfassen und aus der so erfassten Geometrieänderung anhand eines vorbestimmten Kraft- Geometrieänderungs-Zusarnmenhangs die die Geometrieänderung bewirkende Kraft zu berechnen. Bei dem vorbestimmten (bevorzugt eineindeutigen) Kraft- Geometrieänderungs-Zusammenhang kann es sich insbesondere um das Hooke'sche Gesetz handeln. Grundsätzlich sind jedoch auch andere, z.B. nichtlineare Zusammenhänge zur Bestimmung der einwirkenden Kraft im Rahmen der vorliegenden Erfindung auswertbar.
Mit der Erfindung lässt sich somit insbesondere folgendes Verhalten von Werkstoffproben ausnutzen: Bei kleinen technischen Spannungen bis zum Erreichen der sogenannten .Streckgrenze ist die Dehnung in der Werkstoffprobe reversibel, und die technische Spannung hängt linear von der Dehnung ab; die Verformung der Werkstoffprobe ist somit elastisch (Hooke'sches Gesetz: σ = E x z, wobei σ die technische Spannung, ε die Dehnung und E der Elastizitätsmodul ist) . Bei Spannungen oberhalb der Streckgrenze verliert das Hooke'sche Gesetz seine Gültigkeit, es kommt zur plastischen Verformung der Werkstoffprobe . Wie nachfolgend noch im Einzelnen beschrieben, kann jedoch der elastische Bereich aufgrund des im Hooke' sehen Gesetz beschriebenen Kraft-Geometrieänderungs- Zusammenhangs dazu ausgenutzt werden, aus einer Dehnung (nach geeigneter Kalibrierung bzw. Bestimmung des Elastizitätsmoduls) die zugehörige technische Spannung und daraus mit dem entsprechenden Ausgangsquerschnitt an der Messstelle auf der Probe die zugehörige Kraft, die diese Dehnung verursacht, zu ermitteln. Dies geschieht wie vorbeschrieben erfindungsgemäß auf optischem Weg.
Die Grundidee der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, eine Geometrieänderung in einem elastischen Probenabschnitt (insbesondere: eine Dehnungsmessung in einem sich ausschließlich elastisch verformenden Dynamometerteil der Probe) optisch aufzunehmen und auszuwerten. Die optische Erfassung kann speziell bei Hochgeschwindigkeitsversuchen z.B. mithälfe einer Hochgeschwindigkeitskamera mit hoher Orts- und Zeitauflösung und die Auswertung mit einer entsprechenden Bildanalyseso tware, wie nachfolgend noch im Einzelnen beschrieben, mit hoher Genauigkeit durchgeführt werden.
Vorteilhafte Weiterbildungen dieser grundlegenden Idee im Rahmen der vorliegenden Erfindung:
In einer ersten vorteilhaften Ausführungsform wird eine reversible Längenänderung, insbesondere eine Verlängerung oder eine Verkürzung, des elastischen Bereiches optisch erfasst. Bei dem vorbestimmten Kraft-Geometrieänderungs-Zusammenhang kann es sich somit um einen Zusammenhang zwischen einer Krafteinwirkung und einer durch diese Krafteinwirkung bewirkten, reversiblen Längenänderung im elastischen Bereich handeln (z. B. Hooke'sches Gesetz). Es müssen jedoch nicht Längenänderungen erfasst werden, die op- tische Erfassung kann auch z. B. bei Hochgeschwindigkeitsversuchen (wie beispielsweise Scherversuchen) eingesetzt werden, die zu einer Verdrehung, Verzerrung und/oder Scherung im sich elastisch verformenden Bereich führen, die dann entsprechend optisch erfasst und ausgewertet werden kann.
Vorteilhafterweise kann über ein vordefiniertes Zeitintervall der durch eine zeitlich variierende einwirkende Kraft jeweils bewirkte momentane Zustand der Geometrie des elastischen Bereichs optisch erfasst werden. Die jeweils diesen momentanen Zustand der Geometrie bewirkende momentan einwirkende Kraft kann dann aus dem momentanen Geometriezustand mittels des vorbestimmten Kraft-Geometrieänderungs-Zusammenhangs berechnet werden. Erfindungsgemäß ist somit eine Bestimmung des zeitabhängigen Kraftsignals möglich.
Beispielsweise können im elastischen Bereich mindestens zwei Markierungen beabstandet voneinander angebracht werden. Alternativ dazu lassen sich jedoch auch zwei beabstandet voneinander angeordnete, vorgegebene Strukturen (z. B. Vorsprünge oder Gräben oder auch hervortretende Oberflächentexturen in diesem Bereich) als Markierungen verwenden. Diese Markierungen werden dann bei verschiedenen einwirkenden Kräften jeweils optisch abgebildet. In diesen verschiedene geometrische Zustände wie beispielsweise Längen des elastischen Bereichs widerspiegelnden optischen Abbildungen werden Positionen und/oder Abstände dieser Markierungen ausgewertet, d. h. es werden Positionen und/oder Abstände dieser Markierungen in den einzelnen optischen Abbildungen bestimmt und zum Berechnen von Geometrieänderungen im elastischen Bereich bewirkenden Kräften ausgewertet. Der Festkörper (Werkstoffprobe) kann einen
inelastisch verformbaren Prüfbereich und einen materialschlüssig damit verbundenen und/oder einen zusammen mit dem Prüfbereich einstückig ausgebildeten Dynamometerbereich aufweisen. Der Dynamometerbereich ist dann derjenige Bereich des Festkörpers, der sich unter der Krafteinwirkung rein elastisch verformt und der erfindungsgemäß optisch erfasst wird.
Erfindungsgemäß können somit zwei (oder auch mehr) temperaturbeständige Markierungen im Dynamometerteil der Probe aufgebracht werden. Diese Markierungen können je nach dem verwendeten optischen Auswerteverfahren (Bildanalyseverfahren) Linien, Punkte, Kreise oder Kreuze sein, oder auch stochastisch verteilte Speckle-Muster beinhalten, wie sie beispielsweise bei den als optische Auswerteverfahren einsetzbaren Grauwertkorrelationsanalysen verwendet werden.
Die Breite des Dynamometerbereichs ist dabei in der Regel deutlich größer zu wählen als die Breite des vorbeschriebenen Prüfbereichs, um im Dynamometerbereich bis zum Bruch der Probe im Prüfbereich ausschließlich linear-elastische Verformungen zu erhalten.
Für die Aufzeichnung können Videokameras, bei Hochgeschwindigkeitsversuchen insbesondere Hochgeschwindig- keits-Videokameras als optische Messgeräte eingesetzt werden, alternativ dazu sind jedoch auch optische Extensometer einsetzbar. Bei Zugversuchen (insbesondere: Hochgeschwindigkeits-Zugversuchen) kann somit erfindungsgemäß eine Verlängerung als Funktion der Belastungszeit aufgezeichnet werden. Aus diesen Auf¬ zeichnungen können nach der Belastung Verlängerungskurven erstellt werden, die die zeitabhängige Verlan- gerung über das Belastungsintervall darstellen. Wesentlich hierbei ist, dass die entsprechenden Geometrieänderungen in hoher örtlicher- . und/oder zeitlicher Auflösung erfasst werden; dies ist insbesondere bei Einsatz von Hochgeschwindigkeits-Videokameras mit
Bildaufnahmeraten von mindestens 10.000 Bildern pro Sekunde, bevorzugt mit mindestens 100.000 Bilden pro Sekunde, sichergestellt, wobei in der Regel gleichzeitig eine hinreichend große Ortsauflösung bzw. eine hinreichend grosse Anzahl von Bildpunkten (Pixeln) erforderlich ist (von z.B. 100 Pixeln in Messrichtung) , um eine ausreichende Messgenauigkeit zu erzielen. Auch andere optische Messverfahren wie beispielsweise laseroptische Verfahren sind bei ausrei- chender Orts- und Zeitauflösung geeignet.
Erfindungsgemäß können somit die durch ein dynamisches und/oder schnelles Belasten der Werkstoffprobe (z. B. mit äußeren Belastungsgeschwindigkeiten bis etwa 100 m/s) bewirkten Kräfte lokal gemessen werden, wobei während dieser Belastung optische Abbilder des elastischen Dynamometer-Bereichs (also beispielsweise der Markierungen in diesem Bereich} mittels einer Kamera erzeugt werden können, die dann mittels eines Bildanalyseverf hrens, wie beispielsweise einer Grau- wertkorrelationsanalyse, ausgewertet werden können. Anhand dieser Auswertung erfolgt das Berechnen der die Änderung der Geometrie im elastischen Bereich bewirkenden Kraft, in der Regel unter Verwendung eines Kalibrierfaktors, der mit wenigstens einem quasistatischen Vorversuch zu bestimmen ist.
Die dynamischen und/oder schnellen Belastungen können in Form von Hochgeschwindigkeitsversuchen, insbeson- dere Hochgeschwindigkeitszugversuchen, Kerbzugversuchen, Scherversuchen und/oder Druckversuchen aufge- bracht werden. Die hierfür verwendbaren Prüfeinrichtungen wie Schnellzerreissmaschinen oder
Schlagwerke sind dem Fachmann grundsätzlich bekannt. Wird in quasistatischen Vorversuchen bzw. in Vorversuchen bei moderaten Belastungsgeschwindigkeiten (etwa < 0,1 m/s) zuvor an mindestens einer vergleichbar instrumentierten und belasteten Werkstoffprobe mittels konventioneller Kraftmessung (beispielsweise mit einer Kraftmesszelle der eingesetzten Prüfvorrichtung) die Geometrieänderung im Dynamometerteil gegen die eingesetzte Kraft kalibriert, also ein statischer Kalibrierfaktor ermittelt, so kann damit dann bei den eigentlichen Versuchen anhand der aufgenommenen opti- sehen Abbilder der zeitabhängige ("lokale") Kraftverlauf bestimmt werden. Die Kalibrierung geschieht hierbei im elastischen Dynamometerteil der Probe. Alternativ zur Bestimmung des Kalibrierfaktors ist je¬ doch auch die Berechnung des Kalibrierfaktors bei Kenntnis oder unter Annahme eines konstanten Elastizitätsmoduls unter Verwendung des Hooke' sehen Gesetzes möglich.
Die Kalibrierung (bzw. die Ermittlung des vorbestimm- ten Kraft-Geometrieänderungs-Zusammenhangs durch statisches oder quasi-statisches Kraftbelasten des Festkörpers) erfolgt dabei vorteilhafterweise bei äußeren Belastungsgeschwindigkeiten von < 0,1 m/s, Beispiel: Beim Hochgeschwindigkeitszugversuch können die Positionen der optisch erfassten Markierungen mit Bildanalyseverfahren ausgewertet werden, daraus kann Bild für Bild der zeitliche Verlauf der lokalen Verlängerung im Dynamometerteil dLD(t) und mithilfe des zuvor ermittelten Kalibrierfaktors Λ der gesuchte, lokale Kraftverlauf F(t) = Λ x dLD(t) bestimmt wer- den. Aus der wie vorbeschrieben optisch erfassten Verlängerungskurve dLD(t) im elastischen Bereich (bei Druckversuchen: Stauchungskurve) erhält man somit das für weitere Auswertungen zur WerkstoffCharakterisierung erforderliche zeitabhängige Kra'ftsignal F(t). (Da diese Kraft auf den Prüfquerschnitt A im dünneren Prüfteil der Probe wirkt, ergibt sich der Verlauf der technischen Spannung im Prüfteil zu o(t) = F(t)/A„) Wegen der erfindungsgemäß durchgeführten lokalen (optischen) Messung im Dynamometerbereich des Festkörpers wird ein besonders schwingungsarmes Kraftsignal erhalten.
Neben dem Ermitteln eines schwingungsarmen Kraftsignals hat die vorliegende Erfindung insbesondere den Vorteil, dass das Verfahren auch bei stark von der Raumtemperatur abweichenden Temperaturen des Festkörpers (z. B. von deutlich oberhalb 200 °C) durchgeführt werden kann. Selbstverständlich ist das . erfindungsgemäße Verfahren jedoch auch bei Raumtemperatur, d. h. bei 20°C, einsetzbar.
Um während der Belastung zusätzlich auch das Verformungsverhalten des dünneren Prüfteils der Probe bis zum Bruch zu erfassen, kann mit einem optischen Messgerät die durch die äußere Belastung bewirkte Veränderung des Abstands von im Prüfteil applizierten Markierungen aufgezeichnet werden.
Um (insbesondere bei Hochgeschwindigkeitsversuchen) zu einer umfassenden WerkstoffCharakterisierung der Werkstoffprobe unter schnellen, dynamischen Belastungen zu kommen, kann zusätzlich noch eine Messung einer Geometrieänderung, insbesondere einer Verlängerung dLp(t) oder Stauchung, im Prüfbereich der Probe erfolgen. Diese Messung im Prüfbereich der Pro- be kann vorteilhafterweise ebenfalls optisch, das heißt z. B. unter Einsatz von Hochgeschwindigkeitskameras, erfolgen. Die erfindungsgemäße Kraftmessung kann somit mit einer Verlängerungs- oder Stauchungsmessung im Prüfbereich der Probe gekoppelt werden, um eine umfassende WerkstoffCharakterisierung zu ermöglichen, beispielsweise, um eine Kraft-Verlängerungskurve zu erhalten. Dies kann insbesondere dadurch realisiert werden, dass nicht nur der elastische Bereich der Probe optisch erfasst und ausgewertet wird, sondern gleichzeitig und bevorzugt mit derselben Hochgeschwindig- keits-Videoaufnähme auch der zeitliche Verlauf der technischen Dehnung ε^^ΘΓ Probe im Prüfbereich der
Probe optisch erfasst und ausgewertet wird, indem die ermittelte Verlängerung dLP{t) auf die Prüflänge L0 bezogen wird: ε (t) - dLp(t)/L0 . Hierzu sind dann auch im Prüfbereich der Probe entsprechende (d.h. voneinander um L0 beabstandete) Markierungen anzubringen bzw. vorhandene Markierungen auszuwerten.
Vorteilhafterweise wird somit ein sich verjüngender, nicht-reversibel verformender Prüfbereich des Fest- körpers (der derselben Krafteinwirkung wie der elastische Bereich dieses Prüfkörpers unterworfen ist) ebenfalls messtechnisch erfasst, wobei dieses Erfassen vorteilhafterweise ebenso optisch erfolgt. Dann kann mit einem einzigen Hochgeschwindigkeits- Videofilm sowohl der Kraftverlauf bzw. der Spannungsverlauf o(t) als auch der Dehnungsverlauf im Prüfbereich der Probe ε (t) gleichzeitig gemessen werden, so dass daraus beispielsweise die technischen Spannungs- Dehnungskurven σ(ε) zu einer crashrelevanten Werk- stoffCharakterisierung und als Eingangsdaten für
Crashberechnungen bestimmt werden können (ggfs. auch die wahren Spannungs-Dehnungskurven bei Umrechnung unter Annahme von Volumenkonstanz im Bereich der Gleichmassdehnung) . Hierbei wird die Kraft auf den Ausgangsquerschnitt im Prüfbereich der Probe und die Verlängerung auf die Ausgangsmesslänge im Prüfbereich der Probe bezogen. Mit Hochgeschwindigkeitskameras mit über 100.000 Bildern pro Sekunde bei noch hinreichender Anzahl von Pixeln lassen sich hierdurch selbst bei hohen, crashrelevanten Dehnraten bzw. bei entsprechenden hohen, crashartigen Belastungsgeschwindigkeiten, beispielsweise im Bereich 20 m/s (ggf. auch darüber hinaus), hinreichend viele Abbildungen pro Sekunde als Stützpunkte zur Auswertung verlässlicher dynamischer Spannungs-Dehnungskurven gewinnen. Das erfindungsgemäße Verfahren ist dabei bei Flachzug- und Rundzugproben anwendbar; je nach Probengröße sind die Markierungen und die optischen Strahlengänge der Situation anzupassen.
Da aus Halbzeugen oder Bauteilen entnommene Proben häufig leicht gekrümmt sind, kann es zu Biegeanteilen bei der Messung und zu unterschiedlichen Ergebnissen kommen, je nachdem, auf welcher Probenseite die Messung durchgeführt wird. Demgemäß ist es in einer weiteren vorteilhaften Variante empfehlenswert, die optischein) Erfassung (en) der Geometrieänderung des elastischen Bereiches und/oder des Prüfbereiches der Probe auf beiden Seiten der Probe durchzuführen.
Hierzu können entweder zwei Hochgeschwindigkeitskameras eingesetzt werden oder auch nur eine Hochgeschwindigkeitskamera, beispielsweise unter Verwendung von Spiegeln optischer Qualität. Im letzteren Fall werden die unterschiedlichen Seiten der Werkstoffprobe über eine bevorzugt mindestens zwei Spiegel umfassende Abbildungsoptik auf ein und dieselbe Hochgeschwindigkeitskamera abgebildet. Schließlich umfasst eine erfindungsgemäße Anordnung zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens eine Prüfeinrichtung zum dynamischen Belasten der Werkstoffprobe und eine bevorzugt mindestens eine Kamera {Hochgeschwindigkeitskamera) aufweisende, zum Durchführen der optischen Erfassungen und der anschließenden Berechnungen ausgebildete und angeordnete optische Erfassungs- und Auswertevorrichtung.
Vorteile der Erfindung:
Gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren zur Kraftmessung bietet das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung insbesondere die folgenden Vorteile :
■ Das Verfahren ist auch bei hohen und bei tiefen Temperaturen (insbesondere auch bei Temperaturen oberhalb von 200 °C) einsetzbar.
■ Das Verfahren bietet eine trägheitskraftfreie Kraftmessung aufgrund der „lokalen" optischen Dehnungsbestimmung im Dynamometerteil der Probe. Es sind somit schwingungsarme Kraftmessungen auch bei hohen Belastungsgeschwindigkeiten möglich.
■ Wird auch die Vermessung des Prüfbereichs
optisch durchgeführt, so erfolgt eine gleichzeitige Messung der Kraft- und der Prüfteildehnung direkt auf der Probe mit nur einer einzigen Hochgeschwindigkeits ideoaufzeichnung . Dabei lässt sich das Verfahren auch. auf beiden Probenseiten einsetzen, wenn entsprechend ausgerichtete Spiegel optischer Qualität verwendet werden .
Beim erfindungsgemäßen Verfahren ist somit keine Kraftmesszelle (außer ggf. zur Kalibrierung in einem statischen Vorversuch) erforderlich und der Aufwand zur Aufbringung von Markierungen oder Speckle-Mustern auf die Probe ist sehr viel geringer als der Aufwand zur Aufbringung von Dehnungsmessstreifen .
Ausführungsbeispiele :
Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels (Figuren 1 und 2) sowie an- hand einer Variante desselben (Figur 3) im Detail anhand von Zugversuchen beschrieben.
Dabei zeigt: Fig. 1 eine erfindungsgemäß verwendbare Werkstoffprobe samt aufgebrachter Markierungen.
Fig. 2 das Prinzip der Abtastung dieser Werkstoffprobe durch eine Hochgeschwindigkeits- Videokamera sowie die aus der Auswertung der abgetasteten Bilddaten ermittelbaren Zusammenhänge .
Fig. 3 eine Variante des in den Figuren 1 und 2 gezeigten Verfahrens, bei der eine beidseitige Probenabtastung erfolgt.
Figur 1 zeigt eine zum Durchführen eines erfindungsgemäßen Verfahrens geeignete Werkstoffprobe 1, hier beispielsweise aus Aluminium» Die Werkstoffprobe 1 ist einstückig und als länglicher Probenkörper ausge- bildet und weist an ihren beiden gegenüberliegenden Längsenden la und lb zwei verdickte Abschnitte auf, die zur Einspannung in eine Hochgeschwindigkeits- ZugprüfVorrichtung ausgebildet sind. Das hier oben liegende Ende la ist dabei zum Einspannen in die feststehende Probeneinspannung 8a (Figur 2) der Prüfvorrichtung ausgebildet (feststehender Einspannbereich la) , das hier unten abgebildete, gegenüberliegende Ende des Probenkörpers 1 (beschleunigter Ein- spannbereich lb der Probe) zum Einspannen in die beschleunigte Probeneinspannung 8b der PrüfVorrichtung .
Zwischen den beiden Enden la, lb liegen zwei weitere Bereiche der Werkstoffprobe 1, der mit demselben Querschnitt wie der feststehende Einspannbereich la ausgebildete und an letzteren unmittelbar angrenzende Dynamometerbereich 2 der Werkstoff robe 1 und der sich daran (also auf der gegenüberliegenden Seite des feststehenden Einspannbereichs la an den Dynamometer- bereich 2) unmittelbar anschließende Prüfbereich 3 bzw. der Prüfteil der Werkstoffprobe 1. Alle Abschnitte la, 2, 3 und lb der Probe 1 sind hier zusammen als einstückiger Körper ausgebildet, also Stoffschlüssig verbunden. Am dem Dynamometerbereich abgewandten Ende des Prüfteils 3 schließt sich somit der beschleunigte Einspannbereich lb der Probe an, der wiederum mit demselben Querschnitt wie die Bereiche la, 2 der Probe ausgebildet ist. Demgegenüber verjüngt sich der Prüfbereich 3 zur Mitte zwischen den beiden angrenzenden Bereichen lb, 2 hin, weist dort also einen deutlich verringerten Querschnitt auf. Durch diesen deutlich verringerten Querschnitt kann der Prüfbereich 3 der Probe auch über das Erreichen der Streckgrenze hinaus verformt werden (plasti- sehe Verformung) , ohne dass es im Dynamometerbereich
2 zu einer plastischen Verformung der Probe kommt. Mit anderen Worten bleibt auch bei einer plastischen Verformung der Probe im Prüfbereich 3 die elastische Verformung der Probe im Dynamometerbereich erhalten. Figur 1 zeigt zwei strichförmige Markierungen 4a, 4b, die entlang der Längsachse der Probe 1 im Dynamometerbereich 2 der Probe beabstandet voneinander angeordnet sind. Da sich die Probe 1 im Dynamometerbereich 2 rein elastisch verformt, können diese beiden Markierungen 4a, 4b bzw. deren sich bei veränderter
Zugbelastung verändernde Positionen, insbesondere deren sich verändernder Abstand dazu verwendet werden, wie vorbeschrieben erfindungsgemäß auf optischem Weg die Längen- bzw. Geometrieänderung im Bereich 2 zu erfassen und daraus anhand des Kraft-Längenänderungs-
Zusammenhangs die gesuchte Kraft zu berechnen.
Ebenso sind auf derselben Seite der Probe, jedoch zentral im Verjüngungsabschnitt des Prüfbereichs 3 der Probe, zwei weitere Markierungen 5a, 5b
beabstandet voneinander und entlang der Längsachse der Probe 1 auf den Probenkörper aufgebracht. Diese beiden Markierungen 5a, 5b werden zur weiteren optischen Dehnungsbestimmung (Verlängerungsmessung) im Prüfungsbereich 3 der Probe ebenfalls optisch er- fasst .
Um die Veränderungen der Positionen und/oder der Abstände der Markierungen 4a, 4b, 5a, 5b zu erfassen und auszuwerten, wird eine Hochgeschwindigkeitskamera
6 {in Figur 1 nicht gezeigt, vergleiche Figur 2) so angeordnet und auf die Probe 1 ausgerichtet, dass deren Bildfeld sowohl den Dynamometerbereich 2 (also die Markierungen 4a, 4b} als auch den Prüfbereich 3 (also die Markierungen 5a, 5b) erfasst. Wie vorbeschrieben wird der mit möglichst hoher Bildrate {> 10.000 Bilder pro Sekunde) bei noch hinreichend hoher Pixelanzahl aufgenommene Hochgeschwindigkeits- Videofilm dann mittels eines Bildanalyseverfahrens, bzw. bei Verwendung von Speckle-Markierungen auf Ba- sis der Grauwertkorrelationsanalyse ausgewertet.
Die insbesondere bei Speckle-Markierungen vorteilhaft einsetzbare und hier beispielhaft beschriebene Grauwertkorrelationsanalyse als optisches Messverfahren, mit dem lokale Veränderungen beispielsweise einer
Oberfläche, die durch mechanische Beanspruchung verursacht wurden, anhand der Grauwertverteilung von Bildauf ahmen der Oberfläche zu unterschiedlichen Be- anspruchungszuständen verfolgt, gespeichert und qua- litativ und quantitativ ausgewertet werden können, ist dabei dem Fachmann bekannt: Für (digitalisierte) Bilder verschiedener .Zustände lässt sich mit einem Algorithmus, der auf der Anwendung der Kreuzkorrelationsfunktion beruht, ein zwischen den Zuständen bzw. Bildern aufgetretenes Verschiebungsfeld ermitteln.
Als Ergebnis der Korrelation erhält man eine grafische Abbildung des Verschiebungsfeldes, dargestellt als Vektorbild oder als Überlagerungsgitter; ein zugehöriges Protokoll liefert quantitative Angaben für jeden ausgewerteten Punkt {Positionen, Verschiebungen und maximale Korrelationskoeffizienten) . Die Daten des Protokolls können u. a. zur quantitativen Bestimmung von Komponenten des Verzerrungssensors verwendet werden, woraus sich die gesuchten Werkstoffkennwerte wie zum Beispiel die Dehnung ableiten lassen.
Im vorgestellten Beispiel beträgt die Längsausdehnung Lk des Dynamometerbereichs 2 ca. 30 mm und die
Querschnittsausdehnung bk dieses Bereichs ca. 35 mm. Der Abstand der Markierungen 4a, 4b beträgt z.B. 20 mm. Der Abstand a der beiden Markierungen 5a, 5b im Prüfbereich 3 beträgt hier 20 min. Die gesamte Länge Lt der Probe beträgt hier ca. 150 mm.
Figur 1 zeigt somit, wie erfindungsgemäß eine
Flachzug-Probe für Hochgeschwindigkeitszugversuche auf Basis von im Dynamometerteil 2 aufgebrachten Markierungen 4a, 4b, verwendet werden, also zur lokalen optischen Kraftmessung eingesetzt werden kann, wobei hier auch die Dehnungsmessung im Prüfbereich 3 der Probe 1 optisch erfolgt.
Figur 2 skizziert eine erfindungsgemäße Anordnung, die zum Durchführen eines Verfahrens gemäß der vor¬ liegenden Erfindung, also beispielsweise zur in Figur 1 skizzierten optischen Abbildung ausgebildet ist. Die Anordnung umfasst zunächst eine hier lediglich angedeutete Prüfeinrichtung mit einer feststehenden Probeneinspannung 8a, in der der Abschnitt la der in Figur 1 gezeigten Probe nahezu unbeweglich fixiert wird {Figur 2, Mitte oben) . Die Prüfeinrichtung umfasst darüber hinaus eine hier ebenfalls lediglich angedeutete beschleunigte Probeneinspannung 8b (Figur 2, Mitte unten) , in der der Abschnitt lb der Probe 1 beweglich fixiert wird und wo die dynamischen Belastungen durch eine geeignete Belastungsvorrichtung eingeleitet werden.
Des weiteren umfasst die Anordnung eine Hochgeschwin- digkeits-Videokamera 6, die so ausgebildet und angeordnet ist (ggf. mit zusätzlichen, hier nicht im Einzelnen beschriebenen Optiken) , dass sowohl der Prüfbereich 3, als auch der Dynamometerbereich 2 der Probe 1 gleichzeitig und mit sehr hoher Zeitauflösung bzw. Bildrate bei hinreichender Pixelanzahl optisch erfasst werden kann. Die Anordnung umfasst schließlich eine mit der Hochgeschwindigkeits-Videokamera zum bidirektionalen Datenaustausch verbundene Auswertevorrichtung 9 {beispielsweise ein Rechnersystem) , mit der die vorbeschriebene Grauwertkorrelationsana- lyse der mit der Kamera 6 erfassten Positionen 4a, 4b, 5a, 5b möglich ist. Die Elemente 6 und 9 der
Prüfeinrichtung bilden (ggf. samt weiterer zur mehrseitigen Abbildung verwendeter optischer Elemente 7a, 7b, vergleiche Figur 3) die Erfassungs- und Auswerte¬ vorrichtung der Anordnung.
Wie Figur 2 rechts oben zeigt, lässt sich mit hier im Einzelnen nicht beschriebenen Bildanalyseverfahren, ggfs. der Grauwertkorrelationsanalyse, aus den optisch erfassten Positionen der Markierungen 4a, 4b die Veränderung der technischen Zugspannung o~{t) während der Zugbelastung mit hoher zeitlicher Auflösung bestimmen. Ebenso lässt sich anhand der mit den ein¬ zelnen Kamerabildern aufgenommenen Positionen der Markierungen 5a, 5b mit Bildanalyseverfahren, ggfs. mit der Grauwertkorrelationsanalyse, die zeitliche
Veränderung der Dehnung ε (t) der Werkstoffprobe 1 im Prüfbereich 3 mit hoher zeitlicher Auflösung
bebestimmen. Figur 2 rechts unten skizziert dann die aus diesen beiden Kurven a(t) und ε (t) gewonnene Spannungs-Dehnungskurve σ(ε) .
Figur 2 zeigt somit das erfindungsgemäße Prinzip der Messtechnik für Hochgeschwindigkeits-Zugversuche mit schwingungsarmer lokaler optischer Kraft- und Deh- nungsmessung .
Figur 3 zeigt eine Variante der vorliegenden Erfindung, bei der das Ermitteln der vorgenannten Größen ε, σ auf zwei gegenüberliegenden Seiten der Probe 1 erfolgt. Vorgehensweise und Anordnung sind hier grundsätzlich wie vorstehend zu den Figuren 1 und 2 beschrieben, so dass nachfolgend nur die Unterschiede beschrieben werden.
Um auf zwei gegenüberliegenden Seiten der Probe 1 jeweils sowohl Dehnungswerte ε , als auch technische Zugspannungswerte σ bestimmen zu können, sind .hier auf diesen beiden Seiten der Probe jeweils Spiegelanordnungen 7a, 7b angeordnet, die so ausgerichtet werden, dass von beiden gegenüberliegenden Seiten der Probe jeweils ein Prüfbereich und ein Dynamometerbereich der Probe von der einzigen Hochgeschwindigkeitskamera 6 erfasst werden können. So werden der Prüfbereich und der darüberliegende Dynamometerbereich der ersten Seite Sl der Probe 1 über die Spiegelanordnung 7a in den Aufnahmebereich der Kamera 6 abgebildet und der Prüfbereich samt des benachbarten Dynamometerbereichs der gegenüberliegenden, zweiten Probenseite S2 über die Spiegelanordnung 7b. Die Abbildung muss dabei so erfolgen, dass die beiden gegenüberliegenden Seiten der Probe auf getrennte Bildabschnitte der Bilderfassungseinheit der Kamera 6 abgebildet werden, so dass bei der Auswertung die Lage der einzelnen Markierungen getrennt werden kann. Bei hinreichender Übereinstimmung der Ergebnisse beider Seiten (innerhalb von etwa ± 10 %) können die Signale gemittelt und als Ergebnis verwendet werden. Bei stärkeren Abweichungen beider Signale ist die Ursache (z.B. überlagerte Biegeanteile) zu lokalisieren und zu beheben.
Figur 3 zeigt somit eine erfindungsgemäße Anordnung für eine zweiseitige optische Kraft- und Dehnungsmessung bei Hochgeschwindigkeitszugversuchen, mit deren Hilfe auch Biegeanteile mit nur einer Hochgeschwindigkeitskamera erfasst werden können.

Claims

Patentansprüche
Verfahren zur optischen Kraftmessung, wobei ein elastisch verformbarer und/oder ein sich elastisch verformender Bereich (2) eines Festkörpers (1) durch Einwirkung einer Kraft einer Änderung seiner Geometrie unterworfen wird, wobei die durch die Einwirkung der Kraft bewirkte Änderung der Geometrie des Bereichs (2) optisch erfasst wird und wobei die die Änderung der Geometrie bewirkende Kraft anhand eines vorbestimmten, bevorzugt eineindeutigen Kraft-Geometrieänderungs- Zusammenhangs aus der optisch erfassten Änderung der Geometrie berechnet wird.
Verfahren zur optischen Kraftmessung ' nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet , dass die optisch erfasste Geometrieänderung eine reversible Längenänderung, insbesondere eine Verlängerung oder eine Verkürzung, des Bereichs (2) ist und/oder dass der vorbestimmte Kraft- Geometrieänderungs-Zusammenhang ein Zusammenhang zwischen einer Krafteinwirkung und einer durch diese Krafteinwirkung bewirkten, reversiblen Längenänderung des elastisch verformbaren und/oder sich elastisch verformenden Bereichs {2) ist und/oder dem Hookeschen Gesetz entspricht, oder dass die optisch erfasste Geometrieänderung eine reversible Verdrehung, Verzerrung und/oder Scherung des Bereichs (2) ist.
Verfahren zur optischen Kraftmessung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass über ein vordefiniertes Zeitintervall der durch eine zeitlich variierende, einwirkende Kraft jeweils bewirkte momentane Zustand der Geometrie des Bereichs (2) optisch erfasst wird und dass jeweils die diesen momentanen Zustand der Geometrie bewirkende momentan einwirkende Kraft anhand des vorbestimmten Kraft-Geometrieänderungs- Zusammenhangs aus dem optisch erfassten momentanen Zustand der Geometrie berechnet wird (Berechnung des zeitabhängigen Kraftsignals} .
Verfahren zur optischen Kraftmessung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass das optische Erfassen erfolgt, indem im Bereich (2) mindestens zwei Markierungen (4a, 4b} beabstandet voneinander angebracht werden oder indem mindestens zwei beabstandet voneinander angeordnete Strukturen des Bereichs {2} als solche Markierungen (4a, 4b) verwendet werden, indem diese Markierungen {4a, 4b) jeweils bei verschiedenen einwirkenden Kräften optisch abgebildet werden und indem in solchen verschiedene geometrische Zustände, insbesondere Längen, des Bereichs (2) des Festkörpers (1) widerspiegelnden optischen Abbildungen Positionen und/oder Abstände dieser Markierungen (4a, 4b) ausgewer- tet werden zum Berechnen einer eine Änderung der Geometrie des Festkörpers (1} bewirkenden Kraft.
Verfahren zur optischen Kraftmessung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Festkörper (1) eine Werkstoffprobe ist, die einen Prüfbereich (3) und als elastisch verformbaren und/oder sich verformenden Bereich (2) einen mit diesem Prüfbereich (3) materialschlüssig verbundenen und/oder einstückig ausgebildeten Dynamometerbereich aufweist, wobei der Dynamometerbereich so ausgebildet ist, dass er' unter der Einwirkung der Kraft rein elastisch verformbar ist und/oder sich rein elastisch verformt, und wobei der Dynamometerbereich optisch erfasst wird, bevorzugt optisch abgebildet wird.
Verfahren zur optischen Kraftmessung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass das optische Erfassen und/oder Abbilden mit Hilfe einer Kamera (6), insbesondere einer Hochgeschwindigkeitskamera mit einer Bildauf ehmrate von mindestens 10.000 Bildern/s, bevorzugt mit mindestens 100.000 Bildern/s, durchgeführt wird und/oder dass das optische Erfassen mit Hilfe eines laseroptischen Verfahrens und/oder eines optischen Extensometers, insbesondere eines Laserextensometers, durchgeführt wird.
Verfahren zur optischen Kraftmessung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass optische Abbilder vom elastisch verformbaren und/oder sich elastisch verformenden Bereich (2), insbesondere von in diesem Bereich (2) angebrachten Markierungen (4a, 4b), erzeugt werden, bevorzugt mittels einer Kamera (6) erzeugt werden, und mittels eines Bildanalyseverfahrens, insbesondere einer Grauwertkorrelationsanalyse, ausgewertet werden zum Berechnen der die Änderung der Geometrie des Festkörpers (1) bewirkenden Kraft und/oder dass die Markierungen (4a, 4b) Linien, Punkte, Kreise, Kreuze und/oder stochastisch verteilte Muster, bevorzugt Specklemuster, sind.
Verfahren zur optischen Kraftmessung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Einwirken der Kraft durch ein dynamisches, schnelles Belasten des Festkörpers (1), insbesondere durch ein Belasten des Festkörpers (1) mit einer äußeren Belastungsgeschwindigkeit von größer 1 m/s, bevorzugt von größer 10 m/s, bevorzugt im Bereich von 10 m/s bis 100 m/s, realisiert wird und/oder realisiert wird, indem der Festkörper (1) einem Hochgeschwindigkeitsversuch, insbesondere einem Hochgeschwindigkeitszugversuch, einem Kerbzugversuch, einem Scher- versuch und/oder einem Druckversuch ausgesetzt wird.
Verfahren zur optischen Kraftmessung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der vorbestimmte Kraft-Geometrieänderungs- Zusammenhang durch ein statisches oder quasistatisches Kraftbelasten des Festkörpers (1) , insbesondere durch ein Belasten des Festkörpers (1} mit einer äußeren Belastungsgeschwindigkeit von kleiner 0,2 m/s, bevorzugt von kleiner 0,05 m/s, mit verschieden großen Kräften und durch Ermitteln der jeweils zugehörigen Änderung seiner Geometrie bestimmt wird.
Verfahren zur optischen Kraftmessung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren Raumtemperatur oder bei einer Temperatur des Festkörpers (1} von oberhalb +200 °C, insbesondere von oberhalb +400 °C, durchgeführt wird und/oder dass das Einwirken der Kraft so erfolgt und der Festkörper (1) so ausgebildet ist, dass sich der Bereich (2) des Festkörpers (1) rein elastisch und vollständig reversibel verformt.
Verfahren zur optischen Kraftmessung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein weiterer Bereich (3) des Festkörpers (1) , bevorzugt ein sich verjüngender Prüfbereich des Festkörpers (1), ebenfalls dem Einwirken dieser Kraft unterworfen wird und dass ein durch dieses Krafteinwirken bewirktes Verformen, insbesondere ein Dehnen, ein Verlängern oder ein Verkürzen, des weiteren Bereichs (3) erfasst wird.
Verfahren zur optischen Kraftmessung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der weitere Bereich (3) so ausgebildet und aus¬ geformt ist, dass er sich unter dem Einwirken dieser Kraft nicht-elastisch, nicht-reversibel verformt, insbesondere dehnt, verlängert oder verkürzt, und/oder dass das Verformen des weiteren Bereichs {3) optisch erfasst wird, insbesondere auf dieselbe Art und Weise und/oder mit ein und derselben Kamera (6} wie beim elastisch verformbaren
und/oder sich elastisch verformenden Bereich (2) optisch erfasst wird, oder mittels eines Dehnungsmessstreifens erfasst wird.
Verfahren zur optischen Kraftmessung nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf Basis des Erfassens des elastisch verformba- ren und/oder sich elastisch verformenden Bereichs (2) und des Erfassens des weiteren Bereichs (3) festkörperspezifische Kennwerte und/oder Fließkurven, insbesondere zur Beschrei- bung des Verforraungs- und/oder
Versagenverhaltens geeignete Kennwerte und/oder Fließkurven, und/oder Spannungs-Dehnungskurven des Festkörpers (1) bestimmt werden.
Verfahren zur optischen Kraftmessung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf zwei unterschiedlichen Seiten (Sl, Ξ2) , ins besondere auf zwei gegenüberliegenden Seiten, des Festkörpers (1) jeweils eine durch das Einwirken einer Kraft, bevorzugt ein und derselben Kraft, bewirkte Änderung der Geometrie eines elastisch verformbaren und/oder sich elastisch verformenden Bereichs (2) optisch erfasst wird, wobei bevorzugt die unterschiedlichen Seiten (Sl, S2) über eine bevorzugt mindestens zwei Spiegel {7a, 7b) umfassende Abbildungsoptik auf eine einzige Kamera (6), insbesondere eine Hoch geschwindigkeitskamera, abgebildet werden oder wobei bevorzugt die unterschiedlichen Seiten (Sl, S2) jeweils auf eine separate Kamera, insbesondere jeweils eine separate Hochgeschwindig keitskamera, abgebildet werden.
Anordnung ausgebildet zum Durchführen eines Ver fahrens zur optischen Kraftmessung nach einem der vorhergehenden Ansprüche umfassend eine Prüfeinrichtung (8a, 8b) zum dynamischen Belasten der Werkstoffprobe, insbesondere eine Vorrichtung zum Durchführen von Hochgeschwindig keitsversuchen, und eine bevorzugt mindestens eine Kamera (6), insbesondere mindestens eine Hochgeschwindigkeitskamera, aufweisende, zum Durchführen der optischen Erfassung und der Berechnung ausgebildete und angeordnete optische Erfassungs- und Auswertevorrichtung (6, 7a, 7b, 9).
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