Entwicklung eines ganzheitlichen Ansatzes für Kraft- und Dehnungsmessungen bei Hochgeschwindigkeits-Zugversuchen

Ergebnisse und Diskussion

Zur Bestimmung der Materialeigenschaften bei Hochgeschwindigkeitsprüfungen können generell verschiedene Dehnungsmessverfahren wie Dehnungsmessstreifen, optische Längenänderungsaufnehmer, Lasersysteme oder Hochgeschwindigkeitskameras eingesetzt werden [6]. Durch zusätzliche DIC-Analyse von Hochgeschwindigkeitsaufnahmen wird die Visualisierung der Dehnungsverteilung auf der gesamten Probe möglich. Gleiches gilt für Kraftmessungen, die entweder mit systemintegrierten Kraftmessdosen oder mit trägheitsfreien Techniken durchgeführt werden können.

a. Kraftmessung

Um die Qualität der Kraftmessung mit einer Kraftmessdose zu beurteilen, wird ein Vergleich mit den durch DIC-Analyse und HPV-X2-Kamera berechneten Kräften durchgeführt. Eine präzise Messung wird möglich, wenn ein Dynamometerabschnitt für die Probe entworfen wird. Daher wird für diese Untersuchungen ein leicht asymmetrischer Probekörper verwendet (Abbildung 5). Diese Geometrie ermöglicht eine Dehnungsmessung im DMS-Teil und eine Kraftmessung im Dynamometer-Teil mit DIC-Analyse zur gleichen Zeit.

Normalerweise ist die Dynamometerstrecke ein Bereich, in dem keine plastische Verformung auftritt. Übertragen auf FRP's ist ein Bereich gemeint, in dem die Bestimmung des E-Moduls erlaubt ist. Da die Bestimmung des E-Moduls in den Grenzen von 0,05 bis 0,25% [8] erlaubt ist, wird ein über die Gesamtdehnung variierender Modul implementiert, der für das viskoelastische Materialverhalten von GFK-EP geeignet ist. So kann die Kraft, die tatsächlich auf die Probe wirkt, durch σ = Eꞏε (Hooke's Law)  F = EꞏεꞏA bestimmt werden. Der Elastizitätsmodul muss jedoch dynamisch bestimmt werden, da quasistatische Materialeigenschaften nicht auf Hochgeschwindigkeitsprüfungen übertragen werden können. Die einzige Möglichkeit, einen korrekten Elastizitätsmodul zu bestimmen, ist also eine Berechnung innerhalb der kurzen Zeitspanne zwischen dem Aufprall an der Annäherungsvorrichtung und den elastischen Spannungswellen, die sich bis zum Erreichen der Kraftmessdose am Boden des Prüfsystems ausbreiten. Außerdem ist es wichtig, die gemessene Dehnung im Dynamometerabschnitt über dieselbe Probenbreite zu mitteln, auf die der Querschnitt A bezogen ist.

Abbildung 5 zeigt den Vergleich der mit einer Kraftmessdose gemessenen Prüfkräfte mit denen der DIC bei Verwendung einer konischen Annäherungsvorrichtung und einer Prüfgeschwindigkeit von 8 m/s. Der oben erwähnte variierende Modul steht im Zusammenhang mit dem Verlauf der mittleren Dehnung (blauer Kasten) von 0 bis 0,8% während der gesamten Prüfung.

Es ist zu beobachten, dass sich die beiden Kurven nicht stark unterscheiden, was zu der Annahme führt, dass die Verwendung der Kraftmessdose ohne zusätzliche Messtechnik ebenfalls effizient ist. Bei höheren Prüfkräften kommt es zu Abweichungen, die durch oszillierende Kräfte und reflektierte Spannungswellen im Lastzug verursacht werden. Zu Beginn der Prüfung werden Spannungswellen in den Lastzug induziert, was zu Oszillationen im Kraftsignal führt, wie sie zwischen 25 und 75 μs zu sehen sind. Im Verlauf der Prüfung wandern diese Spannungswellen durch den Laststrang und die Kraftmessdose, wo sie reflektiert werden. Je nach Phasenverschiebung und Amplitude können sich die Wellen gegenseitig auslöschen oder verstärken, was wiederum zu schwankenden Abweichungen im Kraftsignal führt, wie zwischen 75 und 125 μs zu sehen ist. Dies zeigt, dass die Kraftmessung mittels DIC-Analyse oft unerlässlich ist, um zuverlässige Ergebnisse zu erhalten. Die Ausbreitung und die Interferenzen können nicht vorhergesagt werden, so dass die Verwendung eines Korrekturfaktors nicht wirksam ist. Das Kraftsignal wird jedoch weniger von den Spannungswellen beeinflusst als erwartet, so dass es möglich ist, mit Hilfe der integrierten Kraftmessdose korrekte Materialeigenschaften zu ermitteln. Eine erste Erklärung für dieses Verhalten könnte die Verwendung der konischen Annäherungslehre sein, da diese keinen Gummiring enthält. Daher sind keine Einflüsse auf die Materialeigenschaften zu erwarten, insbesondere zu Beginn der Prüfung. Mit fortschreitender Prüfung werden jedoch die Einflüsse der Spannungswellen größer, da sie an der Kraftmessdose reflektiert werden.

b. Messung von Verschiebung und Dehnung

Mit dem vorgestellten Versuchsaufbau stehen mehrere Techniken zur Dehnungsmessung zur Verfügung: Kolbenhub, GDS und DIC. Während der Kolbenhub die tatsächliche Kolbenbewegung am oberen Ende des Lastzugs misst, wird mit dem GDS lediglich die Verschiebung zwischen den Spannzeugen gemessen. Bei der DIC-Analyse hingegen können Verschiebungen und Dehnungen direkt an der Probe erfasst werden.

Daher ist es nur mit der DIC-Analyse möglich, echte Stämme zu bestimmen. Unterschiede zwischen diesen Methoden sind zu erwarten, die auf folgende Einflüsse zurückzuführen sein könnten:

• Komponenten mit unterschiedlichen Steifigkeiten im Lastzug
• Elastische Verformung der Komponenten im Lastzug
• Dämpfungseffekte durch Kompression und kraftabsorbierende Eigenschaften des Gummis
• Messung der Entfernung zum

Wie man in Abbildung 6Die oben genannten Effekte können zu erheblichen Abweichungen in den resultierenden Dehnungskurven führen. Der Kolbenhubsensor ist erwartungsgemäß recht linear und unterscheidet sich stark von den anderen Kurven, da die meisten Komponenten und deren Verformung in dieser Messung enthalten sind. Außerdem konnten der Aufprall und die mehrfachen Kollisionen mit der Anfahrvorrichtung durch den Kolbenhub erfasst werden. Die Abweichungen zwischen GDS und DIC sind bei geringen Dehnungen gering, nehmen aber mit fortschreitender Prüfzeit zu. Wie im vergrößerten Ausschnitt zu sehen ist, sind die Steigungen der angelegten Tangenten innerhalb der gegebenen Grenzen jedoch gleich, so dass das GDS bei kleinen Dehnungen, bei denen Effekte wie Probenbiegung, Einspannprobleme oder Spiel zum Tragen kommen, gut funktioniert.

Um die Dehnungsverteilung an der Probe zu visualisieren, Abbildung 7 zeigt die Gesamtdehnung bei verschiedenen Prüfzeiten. Es ist offensichtlich, dass die Probengeometrie gut funktioniert, da die Dehnungsverteilung im DMS-Abschnitt homogen ist. Im Dynamometerteil ist jedoch eine inhomogene Dehnungsverteilung zu erkennen, die auf die bidirektionale Faserorientierung zurückzuführen ist. Da die Probe aus Endlosfasern besteht, wird die Belastung in den 0°-Schichten in der Mitte der Probe vom Messabschnitt auf den Dynamometerabschnitt übertragen.

während die äußeren Fasern einer geringeren Kraft ausgesetzt sind. Aus diesen Erkenntnissen lässt sich schließen, dass jede lokale Dehnungsmessung, wie z. B. Dehnungsmessstreifen, für die Kraftmessung im Dynamometerabschnitt nicht geeignet ist, da dort eine inhomogene Dehnungsverteilung vorliegt.