TY - THES

T1 - Entwicklung eines Prüfkonzeptes für die hochfrequente Ermüdungsprüfung von kleinen, bauteilähnlichen Proben

AU - Klösch, Richard

N1 - gesperrt bis 25-05-2026

PY - 2021

Y1 - 2021

N2 - Für die Ermüdungsprüfung kleiner, dünnwandiger, bauteilähnlicher Proben mit einem elektrodynamischen Shaker gibt es wenige bis gar keine Erkenntnisse. Die meisten zurzeit verwendeten Prüfkonzepte für diese Shaker nützen die Verstärkung der Amplitude im Resonanzfall der Probe aus. Im Zuge dieser Arbeit wird eine Prüfmethodik entwickelt, bei der es möglich ist, kleine bauteilähnliche Proben im VHCF-Bereich, unabhängig von ihrer Eigen- bzw. Resonanzfrequenz, zu prüfen. Die Grundidee des entstandenen Prüfstands beruht auf dem Entwurf eines Feder-Masse-Systems mit mehreren Komponenten. Diese Komponenten sind so gewählt, dass eine äußere Anregung einen Schwingungsmode hervorruft, bei dem die Probe zwangsverformt wird. Auf Basis dieser Grundidee wird eine Konzeptstudie erstellt, bei der 5 mögliche Ansätze zur Erfüllung der Aufgabenstellung betrachtet werden. Im Zuge dieser Studie werden die Prüfmethode, die Komplexität, die Probeneinspannung und die Art der aufgebrachten Spannung der einzelnen Konzepte untersucht. Diese Eigenschaften werden bewertet und bilden die Grundlage für die Auswahl eines Testaufbaus. Diese Beurteilung wird mit Modal- und Frequenzganganalysen unterstützt, um die beste Variante zu finden. Das ermittelte Konzept wird im Anschluss weiterentwickelt und optimiert. Dadurch wird ein Modell erstellt, das in der Realität umgesetzt werden kann. Der entwickelte Prüfstand besteht aus einem äußeren und einem inneren System. Hierbei ist das äußere System sehr steif ausgeführt und wird durch eine Rahmenkonstruktion realisiert. Der Rahmen und die Grundplatte sind durch Druckfedern mit der Probe verbunden. Das äußere System führt die Anregungsschwingung aus. Das innere System besteht aus einer Masse, die mit Federn an der Grundplatte angebracht ist und in die die Probe eingespannt wird. Aufgrund der kleinen Dimensionen der Probe wurde ein ausgeklügeltes Spannprinzip entwickelt. Das innere System wird durch die Anregung in Resonanz versetzt und beginnt mit einer starken Verstärkung in vertikale Richtung zu schwingen. Dieser gewünschte Eigenmode besitzt eine Eigenfrequenz von 1670Hz, wobei im umliegenden Frequenzbereich keine Störmoden auftreten. Bei der Anregung des genannten Eigenmodes kommt es zu einer Zwangsverformung der Probe, wodurch eine Spannung in den Prüfkörper eingebracht wird. Laut FEM-Simulationen ruft eine Anregung von 50m/s2 bei einem Dämpfungsgrad von 0,01 eine maximale Relativverschiebung der Probe von 23µm hervor. Dies induziert eine Kerbspannung von 1450MPa. Überwacht und geregelt wird der Prüfstand durch Beschleunigungssensoren, ein Laser-Vibrometer und eine Kraftmessdose. Da es bei diesen kleinen Proben nicht möglich ist, die Spannung im Querschnitt mithilfe von Dehnmessstreifen zu bestimmen, wird während des Versuchs die Relativverschiebung der schwingenden Masse zu der Grundplatte mithilfe des Laser-Vibrometers berührungslos gemessen. Diese gemessene Relativverschiebung besitzt einen linearen Zusammenhang mit der Kerbspannung, sodass indirekt auf eine konstante Kerbspannungsamplitude geregelt werden kann. Die Kraftmessdose und die Beschleunigungssensoren dienen zum Detektieren des Versagens der Probe.

AB - Für die Ermüdungsprüfung kleiner, dünnwandiger, bauteilähnlicher Proben mit einem elektrodynamischen Shaker gibt es wenige bis gar keine Erkenntnisse. Die meisten zurzeit verwendeten Prüfkonzepte für diese Shaker nützen die Verstärkung der Amplitude im Resonanzfall der Probe aus. Im Zuge dieser Arbeit wird eine Prüfmethodik entwickelt, bei der es möglich ist, kleine bauteilähnliche Proben im VHCF-Bereich, unabhängig von ihrer Eigen- bzw. Resonanzfrequenz, zu prüfen. Die Grundidee des entstandenen Prüfstands beruht auf dem Entwurf eines Feder-Masse-Systems mit mehreren Komponenten. Diese Komponenten sind so gewählt, dass eine äußere Anregung einen Schwingungsmode hervorruft, bei dem die Probe zwangsverformt wird. Auf Basis dieser Grundidee wird eine Konzeptstudie erstellt, bei der 5 mögliche Ansätze zur Erfüllung der Aufgabenstellung betrachtet werden. Im Zuge dieser Studie werden die Prüfmethode, die Komplexität, die Probeneinspannung und die Art der aufgebrachten Spannung der einzelnen Konzepte untersucht. Diese Eigenschaften werden bewertet und bilden die Grundlage für die Auswahl eines Testaufbaus. Diese Beurteilung wird mit Modal- und Frequenzganganalysen unterstützt, um die beste Variante zu finden. Das ermittelte Konzept wird im Anschluss weiterentwickelt und optimiert. Dadurch wird ein Modell erstellt, das in der Realität umgesetzt werden kann. Der entwickelte Prüfstand besteht aus einem äußeren und einem inneren System. Hierbei ist das äußere System sehr steif ausgeführt und wird durch eine Rahmenkonstruktion realisiert. Der Rahmen und die Grundplatte sind durch Druckfedern mit der Probe verbunden. Das äußere System führt die Anregungsschwingung aus. Das innere System besteht aus einer Masse, die mit Federn an der Grundplatte angebracht ist und in die die Probe eingespannt wird. Aufgrund der kleinen Dimensionen der Probe wurde ein ausgeklügeltes Spannprinzip entwickelt. Das innere System wird durch die Anregung in Resonanz versetzt und beginnt mit einer starken Verstärkung in vertikale Richtung zu schwingen. Dieser gewünschte Eigenmode besitzt eine Eigenfrequenz von 1670Hz, wobei im umliegenden Frequenzbereich keine Störmoden auftreten. Bei der Anregung des genannten Eigenmodes kommt es zu einer Zwangsverformung der Probe, wodurch eine Spannung in den Prüfkörper eingebracht wird. Laut FEM-Simulationen ruft eine Anregung von 50m/s2 bei einem Dämpfungsgrad von 0,01 eine maximale Relativverschiebung der Probe von 23µm hervor. Dies induziert eine Kerbspannung von 1450MPa. Überwacht und geregelt wird der Prüfstand durch Beschleunigungssensoren, ein Laser-Vibrometer und eine Kraftmessdose. Da es bei diesen kleinen Proben nicht möglich ist, die Spannung im Querschnitt mithilfe von Dehnmessstreifen zu bestimmen, wird während des Versuchs die Relativverschiebung der schwingenden Masse zu der Grundplatte mithilfe des Laser-Vibrometers berührungslos gemessen. Diese gemessene Relativverschiebung besitzt einen linearen Zusammenhang mit der Kerbspannung, sodass indirekt auf eine konstante Kerbspannungsamplitude geregelt werden kann. Die Kraftmessdose und die Beschleunigungssensoren dienen zum Detektieren des Versagens der Probe.

KW - Shaker

KW - UHCF-Prüfung

KW - Probenprüfung

KW - Ermüdungsprüfung

KW - shaker

KW - small specimen testing

KW - VHCF-testing

KW - fatigue testing

M3 - Masterarbeit

ER -