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Dokumentenidentifikation DE19635968A1 26.03.1998
Titel Anordnung und Verfahren zur automatischen Ermittlung von Rißwiderstandskurven
Anmelder Steiner, Ralf, Dr., 06526 Sangerhausen, DE
Erfinder Steiner, Ralf, Dr., 06526 Sangerhausen, DE
DE-Anmeldedatum 05.09.1996
DE-Aktenzeichen 19635968
Offenlegungstag 26.03.1998
Veröffentlichungstag im Patentblatt 26.03.1998
IPC-Hauptklasse G01N 3/02
IPC-Nebenklasse G01L 1/14   
Zusammenfassung Die Erfindung kennzeichnet eine Anordnung und ein Verfahren zur automatischen Ermittlung von Rißwiderstandskurven mittels einer Prüfanordnung, die aus einer Werkzeugprüfmaschine (1), einem Prüfkörper (2), einer Prüfkörperlagerung (3), einer Kraftsensorik (4), einer Weg/Zeit-Sensorik (5) besteht, dem über Schnittstellen (6) ein EDV-System (7) zugeordnet ist, welches ein Rechenwerk (8) und Berechnungsroutinen (9) zur Berechnung von Werkstoffkennwerten enthält, indem zwischen den Schnittstellen (6) und dem Rechenwerk (8) ein Rißlängenmodul (11) angeordnet ist, welches aus einem leistungsfähigen Rechenwerk (12) und einer speziellen Rißlängenberechnungssoftware (13) besteht, daß das Rißlängenmodul (11) spezielle Module (14) beinhaltet und indem das Rißlängenmodul (11) für jedes Meßdatendupel I aus Kraft- und Weg/Zeit-Meßdaten eine wirksame Rißlänge ermittelt, welche schließlich als Teil des Datentripels II die Berechnung von Rißwiderstandskurven ermöglicht.

Beschreibung[de]

Die Erfindung bezeichnet eine Anordnung und ein Verfahren zur automatischen Ermittlung von Rißwiderstandskurven und anderen mechanischen Materialkennwerten zur Werkstoffoptimierung und Qualitätskontrolle. Im allgemeinen ist die Werkstoffentwicklung durch die stetige Verbesserung von Materialeigenschaften geprägt, wie beispielsweise die Bereitstellung hinreichend zäher Werkstoffe bei ansonsten ähnlich guten Eigenschaften. Die übliche Vorgehensweise der Werkstoffoptimierung besteht in der Modifizierung bereits vorhandener Werkstoffe über Versuchspläne, die eine Vielzahl von Freiheitsgraden aufweisen. Die Zahl der untersuchten Freiheitsgrade wird durch die progressiv wachsende Anzahl der dafür benötigten Probensysteme praktisch begrenzt, wobei der notwendige Prüfaufwand wesentlich diese Grenze bestimmt. Über den qualitativen Vergleich der nach verschiedenen Methoden ermittelten Kennwerte ist eine Werkstoffoptimierung möglich. Die Werkstoffoptimierung stellt neben der konstruktiv bruchsicheren Auslegung von Bauteilen ein zweites Haupteinsatzgebiet der Bruchmechanik als ingenieurtechnische Disziplin dar. Dabei zeigt sich, daß Zähigkeitskennwerte zur Charakterisierung des stabilen Rißwachstums als sensible Kennwerte zur Optimierung bei der Werkstoffentwicklung dienen. Zu ihrer Ermittlung werden Rißwiderstandskurven benötigt, da zur Zähigkeitscharakterisierung von zähen Werkstoffen die Angabe eines einzelnen kritischen Wertes nicht ausreichend ist. Das Verhalten des Prüfkörpers hinsichtlich des Widerstandes gegenüber stabiler Rißeinleitung und -ausbreitung läßt sich über eine Rißwiderstandskurve vollständig beschreiben.

Der Stand der Technik auf dem Gebiet der mechanischen Materialprüfung wird durch eine Vielzahl von Lösungen dokumentiert. Die modernen Universalprüfmaschinen zur Materialprüfung verlügen über geeignete Sensoren zur Ermittlung von Kraft und Weg, welche über Schnittstellen einem Rechnersystem zur Verfügung gestellt werden. Durch eine zumeist rechnergestützte Programmierung und Regelung des Prüfvorgangs, sind einfache, zumeist in Normen festgeschriebene, Verfahren der Werkstoffprüfung, weitgehend automatisiert. Des weiteren sind Speziallösungen bekannt, bzw. aus der Druckschrift EP 0429677 oder der Druckschrift: "Kunststoffe stoßartig belastet" in Materialprüfung 38 (1996) 6, S. 260-263, welche zumeist spezielle Beanspruchungsbedingungen realisieren, die Kraft F sowie den Weg y rechnergestützt registrieren und aus diesen Meßwerten verschiedene Werkstoffkennwerte berechnen, jedoch keine Rißlänge a und darauf basierende weitere Werkstoffkennwerte.

Speziell zur experimentellen Ermittlung von Rißwiderstandskurven gibt es verschiedene Verfahren, welche bsw. in der Druckschrift: "Rißwiderstandskurven und Rißeinleitungszähigkeit" in Materialprüfung 36 (1994) S. 1-2 aufgezeigt werden. Zuerst standardisiert wurde ein Verfahren zur Bestimmung eines kritischen J-Wertes kurz vor der Initiierung eines zähen Bruches (ASTM 813-81). Die Ermittlung einer J-R-Kurve als Zielgröße einer Normvorschrift wurde erstmals in ASTM 1152-87 standardisiert. Dazu wird ein Singel Ended Notched Bending (SENB)- oder Compact Tension (CT)-Prüfkörper quasistatisch weggesteuert beansprucht und die momentane Rißlänge a ermittelt. Die Rißlänge a wird zumeist durch optisches Ausmessen der gebrochenen Prüfkörper unter einer Vergrößerungsoptik bestimmt über die Definition des Rißfeldparameters J als nichtlineare Energiefreisetzungsrate kann der J-Wert aus den Werten der Kraft F und des Weges y ermittelt und über der Rißverlängerung Δa aufgetragen werden, so daß eine J-R-Kurve entsteht. Je Prüfkörper wird in Mehrprobentechnik ein Punkt der J-R-Kurve erzeugt, der zusätzlich als statistisch zufälliges Ereignis betrachtet werden muß. Für eine statistisch abgesicherte J-R-Kurve ist demnach eine hohe Prüfkörperzahl erforderlich. Wird jeweils ein und derselbe Prüfkörper mehreren steigenden Beanspruchungen ausgesetzt, ist über diese "Hintereinanderausführung" eine Einprobentechnik möglich, wodurch sich die benötigte Prüfkörperzahl reduziert, nicht jedoch der meßtechnische Aufwand. Für eine derartige Ermittlung von Rißwiderstandskurven ist die derzeitige Standardausstattung der verwendeten Prüfmaschinen, bsw. von Universalprüfmaschinen oder modernen instrumentierten Pendelschlagwerke, ausreichend. Optional erfolgt bei quasi- statischer und periodischer Beanspruchung die Bestimmung der aktuellen Rißlänge a, zumeist mittels eines separaten Meßmikroskopes oder mittels Spezialsensoren nahe der Rißspitze, bsw. mit Ansatzdehnungsaufnehmern oder Laser, zur Bestimmung des Crack Opening Displacement (COD)-Wertes und dessen Umrechnung zur Rißlänge. Verbunden mit moderner Spezialsoftware, bsw. aus Druckschrift: "Anwendersoftware für Ermüdungs- und Bruchmechanikuntersuchungen" in Materialprüfung 36 (1994) S. 7-8, ist eine weitgehend automatische Bestimmung von Rißwiderstandskurven möglich.

Im Fall periodischer Beanspruchung oder bei Spezialverfahren mit Teilentlastungen ist, basierend auf den Meßwerten während der N einzelnen Entlastungs- und Belastungsvorgänge, auch eine Berechnung des Rißfortschritts da/dN möglich.

Eine dynamische Beanspruchung liegt dann vor, wenn sich die Beanspruchung, meistens die Deformation, schnell zeitlich ändert. In der experimentellen Prüftechnik wird diese Beanspruchungsart über Pendelschlagwerke bzw. über Fallwerke realisiert. Nachteilig bei derartigen Beanspruchungen ist die mit dem Kraftstoß verbundene Impulsübertragung der Schlagmasse auf den Prüfkörper, welche, abhängig von der Prüfkörpermasse und -geometrie sowie den Randbedingungen der Prüfkörperlagerung, zu ausgeprägten Schwingungsüberlagerungen der Deformation führt. Neben der Schlaggeschwindigkeit und Masse hat auch die Prüfkörperform, -masse und -lagerung einen erheblichen Einfluß auf das Schwingungsverhalten. Zusätzlich zu den Schwingungen des Prüfkörpers treten bei dynamischer Beanspruchung Eigenschwingungen der anderen Bauteile der Prüfmaschine auf, die sich bei ungünstiger Anordnung des Kraftsensors ebenfalls dem Kraftsignal überlagern. Aus diesem Grund werden verschiedene Modifikationen der Stoßbeanspruchung verwendet, wie eine inverse Pendelanordnung mit festem Prüfkörper und fester Finne bei beweglichem Widerlager oder die Verwendung hochsensibler Schlagfinnen aus speziellen Materialien. Des weiteren werden auch Versuche mit hohen Beschleunigungen durchgeführt, wie sie auf speziellen servohydraulischen Prüfmaschinen und Schnellzereißmaschinen realisiert werden können, wodurch im Idealfall keine überlagerten Störschwingungen auftreten.

Die Ermittlung dynamischer Rißwiderstandskurven basiert zumeist auf Probenanordnungen nach IZOD oder CHARPY mit entsprechender Instrumentierung zur Aufnahme des Kraftsignals im Pendelschlagwerk oder Fallwerk. Für dynamische Beanspruchung modifizierte Mehrprobentechniken gestatten trotz stoßartiger Beanspruchung mit der Schlagmasse die Erzeugung einer endlichen Rißverlängerung. Dazu wird bei der "Stopp-Block-Methode" die Durchbiegung des Prüfkörpers begrenzt, indem die Schlagmasse nach einem definierten Weg am Stopp-Block abgefangen wird. Die aufgenommene Energie des Prüfkörpers zu diesem Zeitpunkt wird ermittelt. Bei der "Low Blow", Technik hingegen ist die Schlagenergie durch Geschwindigkeitsveränderung derart gering bemessen, daß es nur zu endlichen Rißverlängerungen kommen kann. Die Schlagmasse wird also von dem Prüfkörper abgefangen. Bei der "Energiemethode" wird bei konstanter Schlaggeschwindigkeit die Schlagmasse variiert. In jedem Fall kann die Gesamtenergieaufnahme des Prüfkörpers meßtechnisch ermittelt werden. Die weiteren Schritte entsprechen der Mehrprobentechnik bei quasistatischer Beanspruchung, insbesondere sind die stabilen Rißverlängerungen optisch auf den Bruchflächen auszumessen. Des weiteren lassen sich definierte Veränderungen des stabilen Rißwachstums durch die "Stützweitenmethode" und die "Probenlängenmethode" erzielen. Bei all diesen Methoden ist durch ein "Hintereinanderausführen" mit jeweils steigender Beanspruchung ebenfalls die Einprobentechnik möglich, welche jedoch ebensoviele Prüfabläufe erfordert wie die Mehrprobentechnik. Abhängig vom verwendeten Auswerteverfahren werden aus den ermittelten Meßwerten die gültigen Kurven-Punkte selektiert, welche besondere Bedingungen einhalten müssen, und zur Konstruktion der J-R-Kurve herangezogen.

Bei Einprobentechniken für dynamische Beanspruchung, die mit einem Prüfablauf arbeiten, verschärft sich das generelle Problem der zuverlässigen Ermittlung der momentanen Rißlänge. Verschiedene Verfahren versuchen über die simultane Erfassung geeigneter andere Größen auf die Rißlänge zu schließen. So besteht die Möglichkeit der Erfassung der Widerstandsänderung des Ligaments über DC-Potentialmethoden. Bei nichtleitfähigen Materialien kann über geeignete Dünnfilme das Rißwachstum am Prüfkörperrand verfolgt werden. Eine andere Möglichkeit besteht in der Erfassung des "Crack Opening Displacement" (COD) über eine spezielle Laserabtastung der Rißflankenöffnung oder mittels einem sich über die Rißflanken erstreckenden Dehnmeßstreifen. Mit Hilfe des derart ermittelten COD läßt sich auf die Rißlänge schließen. Insbesondere für hochdynamische Anwendungen eignet sich für eine Rißlängenbestimmung die Hochgeschwindigkeitsaufnahme von Kaustiks, welche durch die Querkontraktion an der Rißfront entstehen.

Einen grundsätzlich anderen Weg beschreiten Verfahren, die bei Biegebeanspruchung direkt aus der Kraft-Durchbiegungs-Kurve eines gekerbten Prüfkörpers auf die Rißlänge schließen. Diesen Verfahren liegt der Gedanke zugrunde, daß sich durch das Rißwachstum das Prüfkörperverhalten, insbesondere dessen Nachgiebigkeit, signifikant ändert, jedoch das Materialverhalten nicht. Die Information über die Prüfkörpersteifigkeit ist mittelbar im Kraft-Durchbiegungs-Diagramm vorhanden, der Riß ist nur "Mittel zum Zweck". Durch spezielle Prüfprogramme für quasistatische Beanspruchung kann die Steuerung der Prüfkörperbeanspruchung derart erfolgen, daß die Prüfkörpersteifigkeit einfach ermittelt werden kann. Bekanntestes Beispiel dafür ist die "Compliance-Methode". Berechnet man mit bruchmechanischen Methoden aus der Steifigkeit die Rißlänge, ergibt sich umgekehrt über die Rückrechnung aus der Rißlänge identisch die Steifigkeit, die den Bruch beschreibt. Die Ermittlung des Rißinitiierungspunktes ist meßtechnisch direkt über einen Dehnungsmeßstreifen möglich, welcher unmittelbar neben dem Ausgangskerb aufgeklebt ist und die Entlastung des Dehnungsfeldes bei Rißinitiierung registriert. Mittels einer "Modifizierten Hysteresemessung" ist ohne direkte Rißlängenermittlung und automatisierbar die Kennwertermittlung von Rißinitiierungskennwerten möglich. Eine vollständige Berechnung der J-R-Kurve ist jedoch nicht möglich. Ebenso sind diese Verfahren nicht für dynamische Beanspruchungen anwendbar.

Verschiedene Verfahren mit indirekter Rißlängenbestimmung wie die "Key-Curve-Method" gestatten eine näherungsweisen Ermittlung von J-R-Kurven. Diese approximativen Methoden benutzt analytische Gleichungen zur Beschreibung der Compliance des ungekerbten und des gekerbten Prüfkörpers. Auf Grundlage der aufgenommenen Kraft- Durchbiegungs-Kurve in Kombination mit der Berechnung der Complianceänderungsrate kann der Rißinitiierungspunkt ermittelt und die Rißlänge berechnet werden. Eine Weiterentwicklung dieses Ansatzes stellen die Verfahren des "Load Separation" und der "Normalization Method" dar. Sie basieren auf der Annahme, daß das Kraftsignal in zwei Funktionen separiert werden kann, eine Riß-Geometrie-Funktion und eine Material- Deformations-Funktion, die ihre analytische Form weitgehend beibehalten. Dazu wird ein Prüfkörper mit scharfen Riß und einer mit stumpfen Riß bei sonst gleicher Geometrie benötigt. Mit diesem Ansatz gelingt ebenfalls die Ermittlung der Rißlänge aus der Kraft- Durchbiegungs-Kurve und damit die Ermittlung einer J-R-Kurve. Diese Verfahren werden bereits mit Erfolg zur Charakterisierung von Werkstoffen angewendet, wobei explizit auf die damit verbundene Vereinfachung der R-Kurven-Ermittlung hingewiesen wird. Allerdings stellt die Endrißlänge am Ende der Beanspruchung eine der notwendigen Eingangsgrößen dar, wodurch eine Automatisierung wesentlich erschwert wird.

Nachteilig ist allen Lösungen des Standes der Technik, daß sie zwar auf der Grundlage "theoretischer Lösungen" moderner bruchmechanischer Konzepte eine Bestimmung der zur Beschreibung des Bruchverhaltens benötigten Zähigkeitskennwerte ermöglichen, jedoch die Mehrzahl der verwendeten Methoden zur Ermittlung von Rißwiderstandskurven nicht sehr rationell sind. Abhängig von dem verwendeten Verfahren ist die einzelnen Lösung entweder auf Grund des erforderlichen Prüfkörperumfangs, der dazu notwendigen Spezialausrüstung oder des Prüfaufwandes nicht hinreichend rationell. Das liegt im allgemeinen in dem zur Bestimmung der exakten Rißlänge verwendeten Methoden. Diese Aussage gilt speziell für bereits standardisierte Verfahren und kommerziell vertriebene Prüfsysteme. Die Möglichkeiten zur Automatisierung, z. B. im Hinblick auf eine laufende Qualitätskontrolle, sind entsprechend gering. Demgegenüber behaupten einfach handhabbare und automatisierbare Verfahren zur Zähigkeitsbewertung mit zumeist nur qualitativen Aussagegehalt, z. B. die Bestimmung der Kerbschlagzähigkeit, weiterhin ihren hohen praktischen Stellenwert. Kommerziell vertriebene Prüfsysteme für derartige Kennwerte, z. B. der Kerbschlagzähigkeit, unterstützen einen automatisierbaren Prüfablauf in der Qualitätskontrolle, gestatten jedoch keine Ermittlung aussagekräftiger J-R-Kurven. Bei Prüfmaschinen für dynamische Beanspruchung (Pendelschlagwerke) besteht in der Praxis oft keine oder bezüglich der Störschwingungen nur ungenügende Registrierung des Kraftsignals.

Aufgabe der Erfindung ist ausgehend von dieser Situation des Standes der Technik, eine Prüfanordnung und ein zugeordnetes einfach zu handhabendes Verfahren aufzuzeigen, wodurch eine automatische Ermittlung von Rißwiderstandskurven bei quasistatischer und dynamischer Beanspruchung realisiert werden kann. Dieses Verfahren soll durch geringfügige Modifizierungen an bestehenden Werkzeugprüfmaschinen einsetzbar sein, wodurch mit geringem finanziellen Aufwand ein wesentlich höherer Aussagegehalt getroffen werden kann. Durch die automatische Kennwertermittlung und dem Ausschluß subjektiver Einflüsse soll sich dieses Verfahren zur Integration in ein QSS eignen.

Die Aufgabe wird entsprechend der im Hauptanspruch aufgezeigten Merkmale gelöst. Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Wesentlich zur Erfüllung der Aufgabe ist die ausschließlich auf Kraft- und Weg- bzw. Zeitmeßdaten der Prüfmaschine basierende erfindungsgemäße Ermittlung einer "wirksamen" Rißlänge a, welche zur Berechnung weiterer verschiedener Kennwerte benutzt wird.

Nachstehend wird die Erfindung an Hand von

Fig. 1 als Prüfanordnung und Rißlängenermittlungsverfahren

Fig. 2 als Ausführungsbeispiel zur Ermittlung von J-Rißwiderstandskurven dynamisch beanspruchter SENB-Prüfkörper (Verfahrensschema) beschrieben.

Fig. 1 bezeichnet eine Prüfanordnung und Rißlängenermittlungsverfahren, die aus einer Werkzeugprüfmaschine 1, einem Prüfkörper 2, einer Prüfkörperlagerung 3, einer Kraftsensorik 4, einer Weg/Zeit-Sensorik 5 besteht, dem über Schnittstellen 6 ein EDV-System 7 zugeordnet ist, welches ein Rechenwerk 8 und Berechnungsroutinen 9 (z. B. standardisierte Auswertesoftware) zur Berechnung von Werkstoffkennwerten enthält. Der Prüfkörper ist dabei zwischen der Prüfkörperlagerung 3 angeordnet, welche zusammen mit der Kraftsensorik 4, der Weg/Zeit-Sensorik 5 und einem Steuermechanismus 10 Teil der Werkzeugprüfmaschine 1 sind. Bei der Prüfung führt der Steuermechanismus 10 der Werkzeugprüfmaschine 1 zu einer Beanspruchung des Prüfkörpers 2 welche von der Kraftsensorik 4 und der Weg/Zeit-Sensorik 5 registriert wird. Die im Signalweg zwischen der Werkzeugprüfmaschine 1 und dem EDV-System 7 angeordneten Schnittstellen 6 ermöglichen eine Übertragung der Meßdatendupel I. Mittels des Rechenwerkes 8 und der Berechnungsroutinen 9 erfolgt im EDV-System 7 die Berechnung der Kennwerte. Diese können in der üblichen Art und Weise dargestellt, ausgedruckt, gespeichert und in andere Programme bzw. mittels eines Netzwerks auf andere EDV-Systeme übertragen werden. Erfindungsgemäß ist zwischen den Schnittstellen 6 und dem Rechenwerk 8 ein Rißlängenmodul 11angeordnet, welches aus einem leistungsfähigen Rechenwerk 12 und einer speziellen Rißlängenberechnungssoftware 13 besteht. Dem Rißlängenmodul 11 stehen die Meßdaten des Kraftsensors 4 und des Weg/Zeit-Sensors 5 in digitaler prüfmaschinenspezifischer Form zur Verfügung. Zusätzlich werden dem Rißlängenmodul 11 die Daten zur Prüfkörpergeometrie (Länge, Breite, Höhe, Tiefe, Kerblänge) und zum Prüfablauf (Prüfgeschwindigkeit, Stützweite, Beanspruchungsart) einmalig mitgeteilt. Zur Erzielung geeigneter Kraftsignale besteht optional die Prüfkörperlagerung 3 und die Kraftsensorik 4 aus einem speziellen Sensorlager, wodurch bei dynamischer Beanspruchung eine derartige Eigenfrequenz der Kraftsensorik 4 realisiert wird, die hinreichend größer ist als die wesentlichen Frequenzanteile des Kraftsignals. Dies wird im wesentlichen durch einen einseitig freien mechanisch Kraftsensor (PIEZO- oder DMS-Sensor) kleinstmöglicher Länge realisiert, welcher gleichzeitig als eine Prüfkörperlagerung 3 dient. Mittels dieser kleinen freien Sensorabmessung und durch Reflexionszwischenschichten verschiedenen Schallwiderstands wird eine Schwingungsentkopplung von mit niedrigerer Frequenz schwingenden Baugruppen (Pendelhammer, Fallbolzen) der Werkstoffprüfmaschine realisiert. Das Rißlängenmodul 11 ermittelt damit eine wirksame Rißlänge für jedes Meßdatendupel I aus Kraft- und Weg/Zeit Meßwerten, welche schließlich als Datentripel II (Kraft- Weg,- Rißlänge) den Berechnungsroutinen 9 die Berechnung von Rißwiderstandskurven ermöglicht. Das Rißlängenmodul 11 beinhaltet spezielle Module 14:

  • - zur automatischen Selektion gültiger Meßdaten
  • - zur automatischen Verdichtung der Meßdaten auf eine geeignete Meßwertanzahl (zwischen 100 und 1000 Meßpunkte)
  • - zur automatischen Bestimmung charakteristischer Kurvenpunkte (Rißinitiierungspunkt, Endpunkt des verzögerten Rißwachstums)
  • - zur Parameterschätzung der ci {i = 1. . . 3} einer speziellen nichtlinearen KEY-Kurven-Funktion,


bsw. der normierten Durchbiegung yN als Funktion der normierten Kraft FN mit

yN = c&sub1; * FN + c&sub2;FN2* ln (1-c&sub3; * FN)

mit der Randbedingung minimaler Störenergie,

bsw. über eine Minimierung der Summe der Fehlerquadratabweichung der Meßdatendupel I von der KEY-Kurven-Funktion in obiger Darstellung bei quasi äquidistanten Durchbiegungswerten y.

  • - zur Ermittlung von Basisparametern, bsw. E-Modul, Streckgrenze, Werkstoffanstrengung, aus den geschätzten Parametern ci
  • - zur Ermittlung der wirksamen Rißlänge a aus den Basisparametern und den Meßdaten (Datentribel II=Meßdatendupel I (F, y) + wirksame Rißlänge a)
  • - zur Auswertung der Daten (Ermittlung von verschiedenen Kennwerten, insbesondere von Zähigkeitskennwerten, bsw. der techn. Rißinitiierung J0.2 und des Reißmoduls TJ)
  • - zur Übergabe der Daten (Datentripel II, verschiedene Kennwerte, Statusangaben).


Bei einem modernen leistungsfähigen EDV-System 7 kann das Rechenwerk 8 das leistungsfähige Rechenwerk 12 beinhalten. Des weiteren ist eine Integration des Rißlängenmoduls 11 in das EDV-System 7 möglich.

Das zugeordnete Rißlängenermittlungsverfahren auf Basis der Meßdatentupel I wird nachfolgend beschrieben. Auf der Basis der von einer Werkstoffprüfmaschine 1 im spezifischen Format gelieferten Meßdatentupel I werden die Kraftdaten F der Beanspruchung (die bei dynamischer Beanspruchung von Störschwingungen überlagert sind) und die Wegdaten y der Durchbiegung (die sich bei dynamischer Beanspruchung aus der Zeit berechnen lassen) ermittelt. Anschließend werden die Kraft- und Wegdaten einem Modul zur automatischen Selektion gültiger Meßdatendupel I zugeführt, welches automatisch ein gültiges Meßdatenfenster selektiert. Im nachgeschalteten Modul zur automatischen Verdichtung der Meßdatendupel I werden diese auf eine geeignete Meßwertanzahl (zwischen 100 und 1000 Meßpunkte) verdichtet. Dies geschieht mittels geeigneter Datenfilter. Erfindungsgemäß wird ein Modul zur automatischen Bestimmung charakteristischer Punkte (Rißinitiierung, Ende des verzögerten Rißwachstums) nachgeschaltet, welches charakteristische Kurvenpunkte (Meßdatendupel I) ermittelt. Dazu wird in einem untergeordneten Parameterschätzmodul ein Teil der Meßdatendupel I normiert und eine spezielle nichtlineare KEY-Kurve angepaßt, indem mit allen gültigen Meßpunkten dieses Teils der Meßdatendupel I eine Parameterschätzung hoher Erwartungstreue durchgeführt wird, wobei diese Schätzung der Randbedingung minimaler Störenergie genügt. Die nichtlineare KEY-Kurve stellt dabei eine analytische Funktion dar, welche das nichtlineare Deformationsverhalten der untersuchten Prüfkörper beliebiger Materialien bis zur Rißinitiierung näherungsweise beschreibt. Der maximal mögliche Teil der Meßkurve, welcher die Nebenbedingung, daß alle nachfolgenden Kraftmeßwerte F kleiner als die analytische Verlängerung der KEY-Kurve sind, stellt den Teil der Rißabstumpfung dar. Das Ende der Rißabstumpfung ist durch den Rißinitiierungspunkt gekennzeichnet. In einer vereinfachten Variante ist optional die Verwendung des Kraftmaximums an der Stelle des Rißinitiierungspunktes möglich. Der Endpunkt des verzögerten Rißwachstums ergibt sich aus dem Punkt nachfolgender maximaler konvexer Krümmung der Meßkurve.

In einem nachfolgenden Modul zur Basisparameterermittlung werden mit den speziellen Parameterschätzungen der KEY-Kurve bis zum Rißinitiierungspunkt in Verbindung mit der Prüfkörpergeometrie und den Prüfbedingungen die Basisparameter des Prüfkörpers ermittelt, die Material- und Prüfmodellkennwerte darstellen. In dem nachfolgenden Modul zur Ermittlung der wirksamen Rißlänge a wird mit den Basisparametern zu jedem Meßdatendupel I ein Datetripel II ermittelt. Die geschieht bis zur Rißinitiierung auf der Basis des verwendeten Prüfmodells, bsw. eines Gelenkprüfkörpers, und der ermittelten Basisparameter und nach der Rißinitiierung, indem bestimmte, beim stabilen Rißwachstum näherungsweise als konstant anzusetzende Basisparameter, bsw. die Materialanstrengung und/oder das Crack Tip Opening Displacement (CTOD), als konstant betrachtet werden und mittels der Basisparameter und der nachfolgenden Meßdatendupel I die zugeordnete wirksame Rißlänge a bestimmt wird.

In einem Auswerte-Modul werden näherungsweise verschiedene Kennwerte berechnet, insbesondere über eine Ermittlung von Rißwiderstandskurven verschiedene Zähigkeitskennwerte sowie andere Materialkennwerte (Elastizitätsmodul, Streckgrenze, . . .).

In dem nachgeschalteten Modul zur Übergabe der Daten werden die Datentripel II (Kraft F, Weg y, wirksame Rißlänge a), die verschiedenen Kennwerte und die Statusangaben (Informationen über die Meßdaten, der statistischen Sicherheit der Parameterschätzung, . . .) an ein übergeordnetes System übergeben. In diesem ist durch Verwendung entsprechender Auswertungsroutinen (z. B. standardisierte Bruchmechaniksoftware) insbesondere ebenfalls die Ermittlung von Rißwiderstandskurven entsprechend vorhandener Standards und damit die Ermittlung von Zähigkeitskennwerten möglich. Ebenso können alle Daten dargestellt, ausgedruckt, gespeichert und über ein Netz an übergeordnete Systeme übertragen werden.

In Fig. 2 ist als ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens, schematisch die Ermittlung von J-Rißwiderstandskurven dynamisch beanspruchter SENB-Prüfkörper dagestellt, welche mittels der wirksamen Rißlänge a ausschließlich aus Kraft- und Weg/Zeitmeßwerten ermittelt werden.

Bezugszeichenliste

1 Werkzeugprüfmaschine

2 Prüfkörper

3 Prüfkörperlagerung

4 Kraftsensorik

5 Weg/Zeit-Sensorik

6 Schnittstelle

7 EDV-System

8 Rechenwerk

9 Berechnungsroutinen

10 Steuermechanismus

11 Rißlängenmodul

12 leistungsfähiges Rechenwerk

13 Rißlängenberechnungssoftware

14 Modul


Anspruch[de]
  1. 1. Anordnung und Verfahren zur automatischen Ermittlung von Rißwiderstandskurven mittels einer Prüfanordnung, die aus einer Werkzeugprüfmaschine (1), einem Prüfkörper (2), einer Prüfkörperlagerung (3), einer Kraftsensorik (4), einer Weg/Zeit-Sensorik (5) besteht, dem über Schnittstellen (6) ein EDV-System (7) zugeordnet ist, welches ein Rechenwerk (8) und Berechnungsroutinen (9) zur Berechnung von Werkstoffkennwerten enthält, indem der Prüfkörper (2) zwischen der Prüfkörperlagerung (3) angeordnet ist, welche zusammen mit der Kraftsensorik (4), der Weg/Zeit-Sensorik (5) und einem Steuermechanismus (10) Teil der Werkzeugprüfmaschine (1) sind, indem bei der Prüfung der Steuermechanismus (10) der Werkzeugprüfmaschine (1) zu einer Beanspruchung des Prüfkörpers (2) führt, welche von der Kraftsensorik (4) und der Weg/Zeit-Sensorik (5) registriert wird, die zwischen der Werkzeugprüfmaschine (1) und dem EDV-System (7) angeordneten Schnittstellen (6) eine Übertragung der Meßdatendupel I ermöglichen, in diesem EDV-System (7) mittels des Rechenwerkes (8) und der Berechnungsroutinen (9) die Berechnung der Kennwerte erfolgt, diese in der üblichen Art und Weise dargestellt, ausgedruckt, gespeichert und in andere Programme bzw. mittels eines Netzwerks auf andere EDV-Systeme übertragen werden können, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Schnittstellen (6) und dem Rechenwerk (8) ein Rißlängenmodul (11) angeordnet ist, welches aus einem leistungsfähigen Rechenwerk (12) und einer speziellen Rißlängenberechnungssoftware (13) besteht,

    daß dem Rißlängenmodul (11) die Meßdaten der Kraftsensorik (4) und der Weg/Zeit-Sensorik (5) in digitaler prüfmaschinenspezifischer Form zur Verfügung stehen,

    daß zusätzlich dem Rißlängenmodul (12) die Daten zur Prüfkörpergeometrie und zum Prüfablauf einmalig mitgeteilt werden,

    daß zur Erzielung geeigneter Kraftsignale die Prüfkörperlagerung (3) und die Kraftsensorik (4) optional aus einem speziellen Sensorlager besteht, wodurch bei dynamischer Beanspruchung eine derartige Eigenfrequenz der Kraftsensorik (4) realisiert wird, die hinreichend größer ist als die wesentlichen Frequenzanteile des Kraftsignals, indem dies im wesentlichen durch einen einseitig freien mechanisch Kraftsensor kleinstmöglicher Länge realisiert wird, welcher gleichzeitig als eine Prüfkörperlagerung (3) dient, indem eine Schwingungsentkopplung durch Reflexionszwischenschichten von mit niedrigerer Frequenz schwingender Baugruppen der Werkstoffprüfmaschine (I) realisiert wird,

    daß das Rißlängenmodul (11) für jedes Meßdatendupel I aus Kraft- und Weg/Zeit-Meßdaten eine wirksame Rißlänge ermittelt, welche schließlich als Datentripel II die Berechnung von Rißwiderstandskurven ermöglicht,

    daß das Rißlängenmodul (11) spezielle Module (14) beinhaltet,

    daß das zugeordnete Rißlängenermittlungsverfahren aus den von einer Werkstoffprüfmaschine (1) im spezifischen Format gelieferten Meßdatendupel I die zugeordneten Kraft- und Wegdaten ermittelt,

    daß die Kraft- und Wegdaten einem Modul zur automatischen Selektion gültiger Meßdaten zugeführt werden, welcher automatisch ein gültiges Meßdatenfenster selektiert,

    daß im nachgeschalteten Modul zur automatischen Verdichtung der Meßdaten diese mittels geeigneter Filter auf eine geeignete Meßwertanzahl verdichtet werden,

    daß in einem nachgeschalten Modul zur automatischen Bestimmung charakteristischer Punkte, charakteristische Kurvenpunkte ermittelt werden, indem in einem untergeordneten Parameterschätzmodul ein Teil der Meßdaten normiert und eine spezielle nichtlineare KEY-Kurve angepaßt wird,

    daß mit allen gültigen Meßpunkten dieses Teils der Meßdaten eine Parameterschätzung hoher Erwartungstreue durchgeführt wird, wobei diese Schätzung der Randbedingung minimaler Störenergie genügt,

    daß die nichtlineare KEY-Kurve dabei eine analytische Funktion darstellt, welche das Deformationsverhalten der untersuchten Prüfkörper beliebiger Materialien näherungsweise bis zur Rißinitiierung beschreibt,

    daß der maximal mögliche Teil der Meßkurve, welcher die Nebenbedingung, daß alle nachfolgenden Kraftmeßwerte kleiner als die analytische Verlängerung der KEY-Kurve sind, den Teil der Rißabstumpfung darstellt,

    daß in einer vereinfachten Variante die Verwendung des Kraftmaximums an der Stelle des Rißinitiierungspunktes möglich ist,

    daß der Endpunkt des verzögerten Rißwachstums sich aus dem Punkt nachfolgender maximaler konvexer Krümmung ergibt,

    daß in einem nachfolgenden Modul zur Basisparameterermittlung mit den speziellen Parameterschätzungen der KEY-Kurve bis zum Rißinitiierungspunkt in Verbindung mit der Prüfkörpergeometrie und den Prüfbedingungen die Basisparameter des Prüfkörpers (2) ermittelt werden,

    daß in dem nachfolgenden Modul zur Ermittlung der wirksamen Rißlänge mit den Basisparametern und den Meßdatendupel I ein Datetripel II ermittelt wird, indem dies bis zur Rißinitiierung auf der Basis des verwendeten Prüfmodells und der ermittelten Basisparameter geschieht und nach der Rißinitiierung, indem bestimmte, beim stabilen Rißwachstum näherungsweise als konstant anzusetzende Basisparameter, als konstant betrachtet werden und mittels der Basisparameter und der nachfolgenden Meßdatendupel I die zugeordnete wirksame Rißlänge bestimmt wird,

    daß in einem Auswerte-Modul näherungsweise verschiedene Kennwerte berechnet werden, über eine Ermittlung von Rißwiderstandskurven insbesondere verschiedene Zähigkeitskennwerte sowie andere Materialkennwerte,

    daß in dem nachgeschalteten Modul zur Übergabe der Daten die Datentripel II, die verschiedenen Kennwerte und die Statusangaben an ein übergeordnetes System übergeben werden,

    daß in diesem durch Verwendung entsprechender Auswertungsroutinen (z. B. standardisierte Bruchmechaniksoftware) insbesondere ebenfalls die Ermittlung von Rißwiderstandskurven entsprechend vorhandener Standards und damit die Ermittlung von Zähigkeitskennwerten möglich ist,

    daß alle Daten dargestellt, ausgedruckt, gespeichert und über ein Netz an übergeordnete Systeme übertragen werden können.
  2. 2. Anordnung zur automatischen Ermittlung von Rißwiderstandskurven nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Rißlängenmodul (11) in das EDV-System (7) integriert ist.
  3. 3. Anordnung zur automatischen Ermittlung von Rißwiderstandskurven nach Anspruch 1 und Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Rechenwerk (8) das leistungsfähige Rechenwerk (12) beinhaltet.






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