TY - THES

T1 - Entwicklung einer Prüfapparatur für die hochfrequente Ermüdungsprüfung von dünnwandigen Strukturen

AU - Tillmanns, Michael

N1 - gesperrt bis 02-06-2025

PY - 2020

Y1 - 2020

N2 - Die Schwingfestigkeit von Werkstoffen bei sehr hohen Lastwechselzahlen von mehr als 10^7 ist in Ermangelung von geeigneten Prüfverfahren mit ausreichend hoher Prüffrequenz bislang unzureichend erforscht. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung einer hochfrequenten Prüfmethodik zur Untersuchung der Schwingfestigkeit von dünnwandigen Strukturen. Als grundlegendes Prinzip wird die Amplitudenüberhöhung bei einer fremderregten Schwingung eines Feder-Masse-Systems in Resonanz herangezogen. Zur Entwicklung der dünnwandigen, schwingungsfähigen Prüfteilgeometrie wird mit Hilfe von Modalanalysen und Frequenzganganalysen eine Parameterstudie durchgeführt. Als Erkenntnis gehen daraus die Kerbwandstärke gefolgt vom Kerbradius als die wesentlichsten Merkmale bezüglich des Einflusses auf die Eigenfrequenz und die Spannungsverteilung des Prüfteils hervor. Die rotationssymmetrische Prüfteilgeometrie wird in solcher Weise gestaltet, dass ihre Eigenfrequenz für den ersten axial schwingenden Mode im Bereich von 1000 Hz liegt. Sie hat einen Durchmesser von 30 mm und eine radial veränderliche Dicke mit einem speziellen Prüfquerschnitt von lediglich 0,1 mm Wandstärke. Die dünnwandige Struktur wird durch einen elektrodynamischen Shaker in Resonanzschwingungen versetzt, wodurch der Prüfquerschnitt des Prüfteils sehr hohe Spannungen erfährt, welche je nach eingestellter Anregungsbeschleunigung des Shakers bei bis zu 600 MPa liegen. Als Bindeglied zwischen dem Shaker und dem Prüfteil werden sechs umsetzungsfähige Konzepte für eine Prüfapparatur entwickelt, in denen das Prüfteil durch unterschiedliche Ausführungen von Spannmutter, Tellerfeder, Spannring und Spannsatz geklemmt wird. Es wird daraus das am besten geeignete Konzept mittels einer ausgearbeiteten Bewertungsmatrix ermittelt. Dieses Konzept für die Prüfapparatur wird bis zur Fertigungsreife entwickelt und ist so gestaltet, dass das Prüfteil präzise, spannungsfrei und reproduzierbar aufgenommen werden kann. Zur Validierung der Simulationsergebnisse werden das Prüfteil und die Prüfapparatur gefertigt und Versuche zum Schwingungsverhalten durchgeführt. Die Prüfapparatur zeigt eine hohe Schwingungssteifigkeit, da die mit Beschleunigungssensoren ermittelte Durchlässigkeit der Prüfapparatur nahe dem Wert 1 liegt. Die Versuche zeigen ein ausgeprägtes Resonanzverhalten des Prüfteils, wobei ein Anstieg der Resonanzfrequenz bei zunehmender Anregungsbeschleunigung detektiert wird. Die mit Hilfe eines Laservibrometers gemessene Schwingung des Prüfteils ist harmonisch und ohne jegliche Störungen oder Verzerrungen. Die Eignung der Prüfanordnung für die hochfrequente Ermüdungsprüfung von dünnwandigen Strukturen wird dadurch bestätigt.

AB - Die Schwingfestigkeit von Werkstoffen bei sehr hohen Lastwechselzahlen von mehr als 10^7 ist in Ermangelung von geeigneten Prüfverfahren mit ausreichend hoher Prüffrequenz bislang unzureichend erforscht. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung einer hochfrequenten Prüfmethodik zur Untersuchung der Schwingfestigkeit von dünnwandigen Strukturen. Als grundlegendes Prinzip wird die Amplitudenüberhöhung bei einer fremderregten Schwingung eines Feder-Masse-Systems in Resonanz herangezogen. Zur Entwicklung der dünnwandigen, schwingungsfähigen Prüfteilgeometrie wird mit Hilfe von Modalanalysen und Frequenzganganalysen eine Parameterstudie durchgeführt. Als Erkenntnis gehen daraus die Kerbwandstärke gefolgt vom Kerbradius als die wesentlichsten Merkmale bezüglich des Einflusses auf die Eigenfrequenz und die Spannungsverteilung des Prüfteils hervor. Die rotationssymmetrische Prüfteilgeometrie wird in solcher Weise gestaltet, dass ihre Eigenfrequenz für den ersten axial schwingenden Mode im Bereich von 1000 Hz liegt. Sie hat einen Durchmesser von 30 mm und eine radial veränderliche Dicke mit einem speziellen Prüfquerschnitt von lediglich 0,1 mm Wandstärke. Die dünnwandige Struktur wird durch einen elektrodynamischen Shaker in Resonanzschwingungen versetzt, wodurch der Prüfquerschnitt des Prüfteils sehr hohe Spannungen erfährt, welche je nach eingestellter Anregungsbeschleunigung des Shakers bei bis zu 600 MPa liegen. Als Bindeglied zwischen dem Shaker und dem Prüfteil werden sechs umsetzungsfähige Konzepte für eine Prüfapparatur entwickelt, in denen das Prüfteil durch unterschiedliche Ausführungen von Spannmutter, Tellerfeder, Spannring und Spannsatz geklemmt wird. Es wird daraus das am besten geeignete Konzept mittels einer ausgearbeiteten Bewertungsmatrix ermittelt. Dieses Konzept für die Prüfapparatur wird bis zur Fertigungsreife entwickelt und ist so gestaltet, dass das Prüfteil präzise, spannungsfrei und reproduzierbar aufgenommen werden kann. Zur Validierung der Simulationsergebnisse werden das Prüfteil und die Prüfapparatur gefertigt und Versuche zum Schwingungsverhalten durchgeführt. Die Prüfapparatur zeigt eine hohe Schwingungssteifigkeit, da die mit Beschleunigungssensoren ermittelte Durchlässigkeit der Prüfapparatur nahe dem Wert 1 liegt. Die Versuche zeigen ein ausgeprägtes Resonanzverhalten des Prüfteils, wobei ein Anstieg der Resonanzfrequenz bei zunehmender Anregungsbeschleunigung detektiert wird. Die mit Hilfe eines Laservibrometers gemessene Schwingung des Prüfteils ist harmonisch und ohne jegliche Störungen oder Verzerrungen. Die Eignung der Prüfanordnung für die hochfrequente Ermüdungsprüfung von dünnwandigen Strukturen wird dadurch bestätigt.

KW - fatigue strength

KW - testing methodology

KW - shaker

KW - high-frequency

KW - Ermüdungsfestigkeit

KW - Prüfverfahren

KW - Shaker

KW - Hochfrequenz

M3 - Masterarbeit

ER -