Servohydraulische Zug-Druckprüfeinrichtung
Final Report Abstract
Das Gerät wurde seit der Inbetriebnahme für mehrere Projekte auf dem Gebiet der Materialcharaterisierung für die Crashberechnung sowohl für Metall als auch für Faserverbundkunststoffe (FVK) verwendet. Daüberhinaus wurden die dynamischen Verbindungseigenschaften von mehreren innovativen, vom Lehrstuhlinhaber patentierten Verbindungsverfahren wie das Hybridgießen Stahl-Aluminium, Nietschweißen von Stahl und Aluminium und Verbundpressen von Metall und FVK bestimmt und analysiert. Als erstes wurde über ein DFG Projekt das Problem der sog. Systemschwingungen untersucht, die bisher seit der Einführung der Servohydraulischen Prüfmaschine von der gesamten Wissenschaftswelt bisher nicht gelöst werden konnte. Beim Einsatz einer solcher Maschine zur Prüfung von Werkstoffeigenschaften unter hohen Geschwindigkeiten (Geschwindigkeit der Maschinenquerhaupt bis zu 20m/s) zur Ermittlung der Materialeigenschaften wie die Fließkurven bei Dehnraten von größer als 200 1/s entstehen durch die schlagartigen Beanspruchung der Proben Schockwellen, die auch Spannungswellen genannt werden. Diese Wellen breiten sich von der Probenhalterung über die Proben bis zur Kraftmessvorrichtung aus und schließlich in den gesamten Maschinenaufbau hinein und werden an den zahlreichen Grenzflächen hin- und her reflektiert. Bei einer Maschinengeschwindigkeit von > 5 m/s sind diese Schwingungen i.d.R. so groß ,dass diese gar nicht mehr zu bestimmen sind. Außerdem überlagen die Schwingungen die Materialeigenschaften. Mit dem sog. Splitt Hopkinson Bar (SHPB) kann das Problem umgangen werden. Jedoch treten dort andere Schwierigkeiten auf, sodass die damit gewonnen Daten nicht ohne weiteres mit den Daten aus quasi-statischen Versuchen verglichen werden können. Vom Antragssteller wurden zuerst auf physikalischer Basis die Schwingungsvorgänge analysiert und mittels FEM abgebildet. Die damit gewonnenen FE-Modelle wurden dann auf die gesamte Prüfmaschine und die Proben als ein gesamtes System übertragen. Dadurch wurde das Schwingungsverhalten verstanden und weitergehende Lösungsmethoden entwickelt. Es ist uns weltweit als erstes gelungen, komplett schwingungsfreie Kraftsignale ohne jegliche Filterung und Manipulation der Messwerte zu bestimmen. Dazu wird derzeit eine wissenschaftliche Veröffentlichung und ein Patent vorbereitet. Mit den dadurch gewonnenen Daten können nun gesicherte Erkenntnisse über dynamisches Materialverhalten gewonnen werden. Derzeit werden diese Daten von verschiedenen Stählen und Aluminium in der FE- Crashberechnung über Komponentenversuche verifiziert. Damit können die FE-Modelle mit gesicherten Materialdaten bezgl. Elementformulierung, Kontaktbedingungen etc. verbessert werden. Parallel wurde dabei mit dem optischen Messsystem von GOM, welches sehr exakt arbeitet, eine neue berührungslose Kraftmessmethode erfunden, die wie folgt funktioniert: auf der Versuchsprobe wird ein Muster aufgebracht, welches während der Verformung elastisch deformiert wird. Diese Deformation wird über das Kamerasystem aufgenommen und über das vorher bestimmte E-Modul in Kraft umgerechnet. Umfangreiche Versuche zeigen, dass diese Methode mit den klassischen DMS Messungen sehr gut übereinstimmt. Der Vorteil ist, dass diese Methode bei höheren oder tieferen Temperaturen berührungslos eingesetzt werden kann, überall dort wo DMS nicht möglich ist. Neben Metallen wurden auch FVK untersucht und dynamische Materialdaten in die FEM-Berechnungen eingebunden. Hier versprechen wir uns, neue Erkenntnisse und Verbesserungen bei der FVK-Modellierung gewinnen zu können. In anwendungsorientierten Forschungsprojekten am Lehrstuhl wie das Hybridgießen, Verbundpressen und Nietschweißen wurde die Maschine zur Ermittlung von Verbindungsfestigkeiten und Duktilitäten unter hoher Beanspruchungsgeschwindigkeit eingesetzt. Diese dient u.a. auch zur Entwicklung von entsprechenden FE-Modellen für die spezifischen Verbindungsarten. Die Arbeiten an den drei genannten Forschungsprojekten sind derzeit noch nicht abgeschlossen.
Publications
- " Stress wave analysis and optical force measurement of servo-hydraulic machine for high strain rate testing" Experimental Mechanics, 2014, 54, p. 1497–1501
J. Li and X.F. Fang
(See online at https://doi.org/10.1007/s11340-014-9929-4) - "Numerical stress wave analysis in LS-DYNA and force measurement at strain rates up to 1000/s of a high speed tensile machine" LS-DYNA Forum, Bamberg, Oct. 2014
X.F. Fang and J. Li
- "On the Way to Solve the 'System Ringing' Effect for Servo-Hydraulic Tensile Machine by Means of Stress Wave Analysis" 16th International Conference on Experimental Mechanics, London, June, 2014
J. Li and X.F. Fang
- "A Front Body Concept in a Steel-GRP Composite Construction" Automobiltechnische Zeitschrift, 2015, 11, p. 62-66
M. Grote and X.F. Fang
(See online at https://doi.org/10.1007/s38311-015-0069-y) - "Development of a material model for organic sheets for the simulation of FRP-components in full vehicle crash" NAFEM World Congress, June 2015, San Diego
X.F.Fang and M. Grote
