PatentDe  


Dokumentenidentifikation DE19729438C2 13.01.2000
Titel Gerät zur Bestimmung des E-Moduls und/oder der Streckgrenze bzw. einer Dehngrenze bei nicht proportionaler Dehnung und/oder des Verfestigungsmoduls und/oder von Parametern der Wechselbeanspruchungen und/oder einer vorgegebenen Biegung eines endlichen Richtgutes, wie Bleche, Bänder, Profile, Rohre und insbesondere von draht- und mehrdrahtförmigem Richtgut
Anmelder Witels Apparate-Maschinen Albert GmbH & Co KG, 12277 Berlin, DE
Erfinder Paech, Marcus, Dipl.-Ing., 19322 Wittenberge, DE
Vertreter Dr.rer.nat. Rüdiger Zellentin, Dipl.-Ing. Wiger Zellentin, Dr. Jürgen Grußdorf, 80331 München
DE-Anmeldedatum 09.07.1997
DE-Aktenzeichen 19729438
Offenlegungstag 11.02.1999
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 13.01.2000
Veröffentlichungstag im Patentblatt 13.01.2000
IPC-Hauptklasse G01N 3/02
IPC-Nebenklasse G01N 3/20   G01B 21/16   G01B 21/32   

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Gerät zur Bestimmung des E-Moduls und/oder der Streckgrenze bzw. einer Dehngrenze bei nicht proportionaler Dehnung und/oder des Verfestigungsmoduls und/oder von Parametern der Wechselbeanspruchungen und/oder einer vorgegebenen Biegung eines endlichen Richtgutes, wie Bleche, Bänder, Profile, Rohre und insbesondere von draht- oder mehrdrahtförmiges Richtgut, mit zwei Aufnehmern mit je einem Antrieb zur Aufbringung definierter Biegemomente für die Enden des Richtgutes und mit einer Vorrichtung zur Ermittlung der Krümmungen des Richtgutes, wobei der eine Aufnehmer ortsfest und der andere in der Einspannebene des Richtgutes waagerecht beweglich ist.

Aus Plietsch, R.; Bourauel, Ch., Drescher, D.; Nellen, B.: Querkraftfreie Biegeprüfung; Materialprüfung 36(1994)3, S. 61-64 ist der Aufbau eines derartigen Gerätes bekannt, das der Bestimmung von Elastizitätsparametern hochelastischer Proben dient. Hierbei wurden gerade Werkstücke durch Biegung in ausschließlich konvexer Richtung beansprucht. Zur Gewährleistung einer querkraftfreien bzw. reinen Biegung werden zwei drehbar gelagerte und angetriebene Aufnehmer sowie eine Lineareinheit zur Veränderung der horizontalen Position eines Aufnehmers verwendet. Für die horizontale Positionierung ist der eine Aufnehmer auf einem Schlitten der Lineareinheit montiert, der über einen Antrieb verfahren werden kann. Der für eine reine Biegung jeweils notwendige horizontale Versatz des Schlittens hängt vom Biegewinkel und der wirksamen Prüflänge der eingespannten Proben ab. Die Elastizitätsparameter sind aus den während eines Biegeversuches ermittelten Meßwerten des Biegemomentes und des Biegewinkels bestimmbar. Der Biegewinkel errechnet sich aus den an den Motorankern der das Biegemoment aufbringenden Antriebe bestimmten Drehwinkel unter Berücksichtigung der Getriebeübersetzung. Nachteilig ist, daß insgesamt drei Antriebe erforderlich sind, wobei der Antrieb zur horizontalen Positionierung des einen Aufnehmers aufwendig zu den das Biegemoment aufbringenden Antrieben synchronisiert werden muß. Außerdem wird mit der antriebsseitigen Ermittlung des Biegewinkels nicht der wahre Biegewinkel identifiziert, sondern ein Winkel, der durch Spiele, Elastizitäten etc. von diesem abweicht und somit das Ergebnis der Biegeprüfung negativ beeinflußt.

Die Biegeprüfung ist zudem ausschließlich für geradlinige Proben zweckmäßig, deren wirksame Prüflänge sich nach dem Einspannen nur näherungsweise aus Informationen des Antriebes der Lineareinheit ableiten läßt.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Gerät der genannten Art dahingehend zu verbessern, daß auch Beanspruchungen in wechselnder Richtung und beliebig oft meß- und auswertbar sind, wobei auch gekrümmtes Richtgut einsetzbar ist.

Diese Aufgabe wird durch ein Gerät mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Der Unteranspruch gibt eine vorteilhafte Weiterbildung des Gerätes wieder.

Nachstehend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezug auf eine Zeichnung Fig. 1 und auf Diagramme Fig. 2 bis 6 näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel der Erfindung in schematischer Darstellung,

Fig. 2 eine Biegemoment-Krümmungs-Kurve der Erstbeanspruchung,

Fig. 3 eine idealisierte Spannungs-Dehnungs-Kurve,

Fig. 4 eine bezogene Biegemoment-Krümmungs-Kurve der Erstbeanspruchung,

Fig. 5 ein Verformungsverhalten bei Beanspruchung und erster Wechselbeanspruchung in entgegengesetzter Richtung,

Fig. 6 eine Biegemoment-Krümmungs-Kurve der Erstbeanspruchung und der Wechselbeanspruchung.

Das erfindungsgemäße Gerät weist zwei Aufnehmer 1, 2 auf, die jeweils um eine Drehachse 3 bzw. 4 drehbar gelagert sind. Die Drehachse 3 ist ortsfest angeordnet, wohingegen die Drehachse 4 in der Anordnungsebene der Drehachsen 3, 4 horizontal (siehe den Doppelpfeil) verschiebbar ist. Zwischen den Drehachsen 3 und 4 ist ein - nicht dargestellter - Abstandsmesser vorgesehen und mindestens ein Aufnehmer 1, 2 ist mit einem - nicht dargestelltem - Drehwinkelmesser gekoppelt. Jeder Aufnehmer 1, 2 weist einen Halter 5 bzw. 6 auf die einander zugewandt sind und zur festen Anordnung der Enden eines Richtgutes 7 dienen.

Jeder Aufnehmer 1, 2 ist mit einem nicht dargestellten Antrieb zu seiner Drehung in entgegengesetzte Richtungen (siehe den Doppelpfeil) um die Drehachsen 3, 4 gekoppelt. Hierbei kann der Antrieb beider Aufnehmer 1, 2 durch einen einzigen Reversiermotor erfolgen, wobei auch jedem Aufnehmer 1, 2 je ein Motor zugeordnet sein kann, wobei dann durch entsprechende Kopplungen und/oder Getriebe eine Synchronisation der aufgebrachten Drehmomente und/oder der Drehrichtungen gewährleistet werden kann.

In etwa zentral zwischen den beiden Aufnehmern 1 und 2 ist eine Meßvorrichtung 8 zur Ermittlung der Krümmungen des Richtgutes 7 angeordnet, wobei die jeweilige Krümmung aus den Abständen zwischen Richtgut 7 und Meßvorrichtung 8 errechenbar ist, die an mindestens drei - auch mehr - Punkten gemessen werden.

Alternativ läßt sich die jeweilige Krümmung aus der Korrelation zwischen dem gemessenen Drehwinkel mindestens eines Aufnehmers 1, 2 und dem gemessenen Abstand zwischen den Aufnehmern 1 und 2 ermitteln.

Das Gerät weist vorzugsweise einen Speicher 9 und/oder eine Auswerteeinheit 10 auf, denen nicht nur Daten von der Meßvorrichtung 8 sondern auch von den Antrieben der Aufnehmer 1 und 2 zugeführt werden. Von den Aufnehmern 1, 2 werden die Daten über das jeweils aufgebrachte Biegemoment und/oder die Drehrichtung und/oder den Drehwinkel und/oder gegebenenfalls die Frequenz der Wechselbeanspruchungen erfaßt und den ermittelten Krümmungswerten zugeordnet.

Bei einer Erstbeanspruchung wird das eingespannte Richtgut 7 reinen Biegemomenten Ma und Mb ausgesetzt, wobei M = Ma = Mb ist. Die Drehrichtung der Beanspruchung kann einerseits so sein, daß sich das Richtgut konvex oder andererseits in entgegengesetzter Richtung konkav verformt. Durch die horizontal bewegliche Anordnung der Achse 4 des Aufnehmers 2 wird eine Zugbelastung des Richtgutes 7 ausgeschlossen.

Die Drehmomente um die Achsen 3, 4 können unter Verwendung nicht dargestellter Faktoren, Sensoren und Regelkreise zeitlich synchron nach vorgegebenen Beanspruchungsplänen aufgebracht und gemessen werden, wobei das Richtgut auch wechselnd konkav und konvex verformt werden kann. Hierbei kann sich an eine Erstbeanspruchung, die beispielsweise eine konvexe Verformung des Richtgutes 7 zur Folge hat, eine Verformung in die entgegengesetzte Richtung mit konkavem Ergebnis anschließen. Durch Wechselverformungen können die Werkstoffkennwerte der Erstbeanspruchung, der ersten Wechselbeanspruchung sowie auch folgender weiterer Wechselbeanspruchungen bestimmt werden. Parameter der Erstbeanspruchung sind der Elastizitätsmodul, der Verfestigungsmodul und die Streckgrenze. Bauschingerdehnungen, Bauschingerspannungen und Bauschingermodul sind Parameter der Wechselbeanspruchungen. Zur Bestimmung der Parameter sind Beanspruchungspläne und Auswerteverfahren zu erstellen, wobei gemäß einem Beanspruchungsplan definierte Biegemomente auf das Richtgut 7 aufgebracht und die jeweilige entsprechende Krümmung ermittelt wird. Aus einem konstanten Biegemoment über der wirksamen Länge des Richtgutes 7 resultiert über der wirksamen Länge auch eine konstante Krümmung. Im Ergebnis der Einstellung unterschiedlicher Biegemomente, zunächst beispielsweise in konvexer Richtung und der Ermittlung der entsprechenden Krümmungen des Richtgutes, liegt für den spezifischen Werkstoff des Richtgutes und der für den Querschnitt des Richtgutes gültige Zusammenhang zwischen Biegemoment und Krümmung vor. Bei einer ausreichenden Anzahl von Wertepaaren kann eine Biegemoment-Krümmungs-Kurve für die Beanspruchungsrichtung erstellt werden. Funktionale Zusammenhänge zwischen dem Biegemoment und der Krümmung lassen sich über Regressionsanalysen ermitteln. Durch den Einsatz analytischer und numerischer Rechenverfahren, die in der Auswerteeinheit 10 installiert werden können, sind die genannten Parameter des Werkstoffes des Richtgutes bestimmbar.

Aus den Informationen der für die Erstbeanspruchung relevanten Biegemoment-Krümmungs-Kurve sind die Streckgrenze, der Elastizitätsmodul und der Verfestigungsmodul berechenbar. Aus einer erstellten Biegemoment- Krümmungs-Kurve, wie sie z. B. in Fig. 2 dargestellt ist, sind die Kennwerte:

MS Moment bei maximaler elastischer Verformung sowie

KS Krümmung bei maximal elastischer Verformung

entnehmbar.

Unter Verwendung der Querschnittsabmessungen des Richtgutes ist das jeweilige Widerstandsmoment Wb unter Verwendung der für den Querschnitt gültigen Gleichung zu berechnen. Für den Kreisquerschnitt mit einem Durchmesser d gilt beispielsweise





Die Streckgrenze σS des Richtgutes ergibt sich aus der Gleichung 2





Unter Verwendung des Wertes der Krümmung bei maximal elastischer Verformung KS, der Streckgrenze σS, gemäß Gleichung 2 sowie der Dicke des Querschnitts (bei einem Kreisquerschnitt wäre dies der Durchmesser d) läßt sich aus der Gleichung 3 der Elastizitätsmodul E berechnen.





Zur Bestimmung des Verfestigungsmoduls V, der dem Anstieg der Ausgleichsgeraden im plastischen Verformungsbereich der Spannungs- Dehnungskurve entspricht, wie sie beispielhaft in Fig. 3 dargestellt ist, wird eine für die jeweilige Querschnittsform gültige Gleichung, die den Zusammenhang zwischen bezogenem Biegemoment M* und bezogener Krümmung K* für die plastische Verformung ausdrückt, verwendet. Die Biegemoment-Krümmungs-Kurve der Erstbeanspruchung ist mit Ms und Ks in ihre bezogene Darstellung M* = f(K*) zu transformieren (Fig. 4) bzw. es sind die Wertepaare (M*, K*) für den Anteil der plastischen Verformung zu bilden. Wird vorausgesetzt, daß das Richtgut einen kreisförmigen Querschnitt hat, kann mit Gleichung 4 der Verfestigungsmodul V berechnet werden. In die Gleichung geht zusätzlich der Elastizitätsmodul E ein. Bei anderen Querschnittsformen sind die entsprechend gültigen Gleichungen zu verwenden.





Die Modellierung von Prozessen, die mit elastisch-plastischen Verformungen in wechselnder Richtung verbunden sind, setzt voraus, daß die Stoffgesetze des jeweiligen Werkstoffes des Richtgutes genügend genau bekannt sind. Sowohl die Verfestigungs- als auch die Entfestigungserscheinungen spielen dabei eine Rolle. Ein neues Stoffgesetz bzw. Werkstoffmodell nutzt zur Beschreibung von Entfestigungserscheinungen die Parameter Bauschingerdehnung, Bauschingerspannung und Bauschingermodul. Für die Erstbeanspruchung gelten die Gleichungen 5 und 6.



σ = E . ε für ε ≤ εS Gleichung 5



σ = σS + (ε - εS) . V für ε > εS Gleichung 6

Für die auf die Erstbeanspruchung folgende Wechselbeanspruchung in entgegengesetzter Richtung gelten die Gleichungen 7 bis 9. σF bezeichnet die Fließgrenze der Wechselbeanspruchung, εF die Dehnung an der Fließgrenze, εBau die Bauschingerdehnung, σBau die Bauschingerspannung und B den Bauschingermodul. Der Bauschingermodul B kennzeichnet den Anstieg der Spannungs-Dehnungs-Kurve im Bereich εF < ε ≤ εBau.



σ = E . ε für ε ≤ εF Gleichung 7



σ = σF + (ε - εF) . B für εF < ε ≤ εBau Gleichung 8



σ = σBau + (ε - εBau) . V für ε > εBau Gleichung 9

Fig. 5 zeigt eine schematische Darstellung zum berechneten Verformungsverhalten (Gleichungen 5 bis 9) bei wiederholter Belastung bzw. Beanspruchung. Um die Bauschingerdehnung εBau und den Bauschingermodul B für eine der Erstbeanspruchung nachfolgende Beanspruchung berechnen zu können, ist es notwendig, aus der meßtechnisch mit dem Gerät ermittelten Biegemoment Krümmungs-Kurve der Wechselbeanspruchung die Kennwerte

KBau Krümmung am Ende des Bauschingerbereichs und

Kf Krümmung bei maximaler elastischer Beanspruchung

zu bestimmen (Fig. 6).

Die Bauschingerdehnung εBau berechnet sich für Richtgut mit kreisförmigem Querschnitt (Durchmesser d) mit der Krümmung am Ende des Bauschingerbereichs KBau nach Gleichung 10.





Nach Ermittlung der maximal elastischen Dehnung der Wechselbeanspruchung εF nach Gleichung 11 und der Fließspannung σF nach Gleichung 12 kann durch Gleichung 13 der Bauschingermodul B berechnet werden.





Für die Bauschingerspannung σBau gilt Gleichung 14, wobei σS die Streckgrenze der Erstbeanspruchung repräsentiert.



σBau = σS Gleichung 14

Die Gleichungen 4 bis 14 sind für den ersten Quadranten eines lokalen Koordinatensystems gültig, das dem ersten Quadranten des in Fig. 5 dargestellten globalen Systems entspricht. Um das Werkstoffverhalten bei Wechselbeanspruchung mit den Gleichungen 5 bis 14 gemäß Fig. 5 zu ermitteln, müssen unter Berücksichtigung von Vorzeichenkonventionen eine Koordinatentransformation und eine Koordinatenrücktransformation durchgeführt werden.


Anspruch[de]
  1. 1. Gerät zur Bestimmung des E-Moduls und/oder der Streckgrenze bzw. einer Dehngrenze bei nicht proportionaler Dehnung und/oder des Verfestigungsmoduls und/oder von Parametern der Wechselbeanspruchungen und/oder einer vorgegebenen Biegung eines endlichen Richtgutes (7), wie Bleche, Bänder, Profile, Rohre und insbesondere von draht- und mehrdrahtförmigem Richtgut, mit zwei Aufnehmern (1, 2) mit je einem Antrieb zur Aufbringung definierter Biegemomente für die Enden des Richtgutes (7), und mit einer Vorrichtung (8) zur Ermittlung der Krümmungen des Richtgutes (7), wobei der eine Aufnehmer (1) ortsfest und der andere (2) in der Einspannebene des Richtguts (7) waagerecht beweglich ist, dadurch gekennzeichnet, daß der andere Aufnehmer (2) frei waagerecht beweglich ist und die Aufnehmer (1, 2) in entgegengesetzte Richtungen derart drehbar gelagert sind, daß das eingespannte Richtgut (7) wechselnd konvex/konkav verformbar ist und daß die Vorrichtung (8) einen Drehwinkelmesser für mindestens einen der Aufnehmer (1, 2) und einen Abstandsmesser zur Messung des Abstands zwischen den beiden Aufnehmern (1 und 2) enthält.
  2. 2. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß alle Daten der Verformung und der aufgebrachten Momente inklusive deren Richtung einem Speicher (9) und/oder einer Auswerteeinheit (10) zugeführt werden.






IPC
A Täglicher Lebensbedarf
B Arbeitsverfahren; Transportieren
C Chemie; Hüttenwesen
D Textilien; Papier
E Bauwesen; Erdbohren; Bergbau
F Maschinenbau; Beleuchtung; Heizung; Waffen; Sprengen
G Physik
H Elektrotechnik

Anmelder
Datum

Patentrecherche

Patent Zeichnungen (PDF)

Copyright © 2008 Patent-De Alle Rechte vorbehalten. eMail: info@patent-de.com