TY - THES

T1 - Inbetriebnahme und Validierung einer Prüfmethodik zur hochfrequenten Untersuchung von dünnwandigen Bauteilen

AU - Kahr, Patrick

N1 - gesperrt bis 08-09-2027

PY - 2022

Y1 - 2022

N2 - Die Lebensdaueruntersuchung von zylindrischen oder flachen Proben ist technischer Standard. Im Gegensatz dazu ist die Prüfung von realen Bauteilen sehr kostenintensiv und durch ihre Einmaligkeit in Geometrie und Beanspruchung eine prüftechnische Herausforderung. Für die Prüfung von realen dünnwandigen Bauteilen wurde am Lehrstuhl für Allgemeinen Maschinenbau im Vorfeld dieser Arbeit ein entsprechender Prüfstand zur hochfrequenten Lebensdaueruntersuchung entworfen. Die Prüftechnik umfasst ein äußeres und ein inneres System. Durch eine Relativverschiebung der Systeme kommt es zu einer Beanspruchung des Bauteils. Da die Anregungsfrequenz eine verstärkte Schwingung des gesamten inneren Systems, welches das Bauteil enthält, hervorruft, ist die Möglichkeit geschaffen, kleine Bauteile unabhängig von deren Eigenfrequenz zu prüfen. Zur Validierung der Simulationsergebnisse und zur Kontrolle der Funktionsfähigkeit muss die Prüfmethodik in Betrieb genommen werden. Aufgrund von konstruktiven Änderungen gegenüber dem ursprünglichen Prüfaufbau werden Simulationen durchgeführt, um die Auswirkungen zu untersuchen. Die Simulationen ergeben eine neue Eigenfrequenz für den anzuregenden Schwingungsmode und die wirkenden Kräfte während der Bauteilbelastung. Die auftretenden Kräfte werden versuchstechnisch über eine Kraftmessdose aufgenommen und im Anschluss mit den Simulationswerten verglichen. Durch die Erkenntnis, dass beim Bauteilversagen ein rapider Abfall der wirkenden Kraft erkennbar ist, kann ein Abbruchkriterium für Langzeitversuche eingeführt werden. Bei einer stark abweichenden Kraftänderung über einen geringen Zeitraum kann der Versuch beendet werden. Mit der Möglichkeit, ein Bauteilversagen detektieren zu können, werden Langzeitversuche mit einer Prüffrequenz von 1440 Hz, bei unterschiedlichen Belastungsniveaus durchgeführt. Die Ergebnisse werden als Kraftverläufe über der Zeit mit erkennbaren Zeitpunkten des Bauteilversagens visualisiert und für die jeweilige Belastung miteinander verglichen. Bei hohen Relativverschiebungen wird eine kurze Lebensdauer festgestellt und geringere Relativverschiebungen resultieren in einer längeren Lebensdauer. Bereits bei einer Verringerung von 1 ¿m steigen die ertragbaren Lastwechsel um 3E7 an. Der Prüfaufbau ist somit sehr sensitiv in Bezug auf Belastungsänderungen, wodurch sich eine prüftechnisch große Herausforderung ergibt. Mit einer guten Vergleichbarkeit der Kraftverläufe über der Zeit und der angemessenen Reaktion der Kraft bei Belastungsänderungen wird die Funktionsfähigkeit nachgewiesen. Die hochfrequente Prüftechnik ermöglicht somit eine Bauteil-Ermüdungsprüfung bei sehr hohen Lastwechseln bis in den VHCF-Bereich.

AB - Die Lebensdaueruntersuchung von zylindrischen oder flachen Proben ist technischer Standard. Im Gegensatz dazu ist die Prüfung von realen Bauteilen sehr kostenintensiv und durch ihre Einmaligkeit in Geometrie und Beanspruchung eine prüftechnische Herausforderung. Für die Prüfung von realen dünnwandigen Bauteilen wurde am Lehrstuhl für Allgemeinen Maschinenbau im Vorfeld dieser Arbeit ein entsprechender Prüfstand zur hochfrequenten Lebensdaueruntersuchung entworfen. Die Prüftechnik umfasst ein äußeres und ein inneres System. Durch eine Relativverschiebung der Systeme kommt es zu einer Beanspruchung des Bauteils. Da die Anregungsfrequenz eine verstärkte Schwingung des gesamten inneren Systems, welches das Bauteil enthält, hervorruft, ist die Möglichkeit geschaffen, kleine Bauteile unabhängig von deren Eigenfrequenz zu prüfen. Zur Validierung der Simulationsergebnisse und zur Kontrolle der Funktionsfähigkeit muss die Prüfmethodik in Betrieb genommen werden. Aufgrund von konstruktiven Änderungen gegenüber dem ursprünglichen Prüfaufbau werden Simulationen durchgeführt, um die Auswirkungen zu untersuchen. Die Simulationen ergeben eine neue Eigenfrequenz für den anzuregenden Schwingungsmode und die wirkenden Kräfte während der Bauteilbelastung. Die auftretenden Kräfte werden versuchstechnisch über eine Kraftmessdose aufgenommen und im Anschluss mit den Simulationswerten verglichen. Durch die Erkenntnis, dass beim Bauteilversagen ein rapider Abfall der wirkenden Kraft erkennbar ist, kann ein Abbruchkriterium für Langzeitversuche eingeführt werden. Bei einer stark abweichenden Kraftänderung über einen geringen Zeitraum kann der Versuch beendet werden. Mit der Möglichkeit, ein Bauteilversagen detektieren zu können, werden Langzeitversuche mit einer Prüffrequenz von 1440 Hz, bei unterschiedlichen Belastungsniveaus durchgeführt. Die Ergebnisse werden als Kraftverläufe über der Zeit mit erkennbaren Zeitpunkten des Bauteilversagens visualisiert und für die jeweilige Belastung miteinander verglichen. Bei hohen Relativverschiebungen wird eine kurze Lebensdauer festgestellt und geringere Relativverschiebungen resultieren in einer längeren Lebensdauer. Bereits bei einer Verringerung von 1 ¿m steigen die ertragbaren Lastwechsel um 3E7 an. Der Prüfaufbau ist somit sehr sensitiv in Bezug auf Belastungsänderungen, wodurch sich eine prüftechnisch große Herausforderung ergibt. Mit einer guten Vergleichbarkeit der Kraftverläufe über der Zeit und der angemessenen Reaktion der Kraft bei Belastungsänderungen wird die Funktionsfähigkeit nachgewiesen. Die hochfrequente Prüftechnik ermöglicht somit eine Bauteil-Ermüdungsprüfung bei sehr hohen Lastwechseln bis in den VHCF-Bereich.

KW - Ermüdungsprüfung

KW - Shaker

KW - Bauteilprüfung

KW - VHCF-Bereich

KW - Fatigue testing

KW - Shaker

KW - Component testing

KW - VHCF-range

M3 - Masterarbeit

ER -