Nahezu jedes lasttragende mechanische Teil wird mehr als einmal im Leben eines Systems belastet. In vielen Industriezweigen werden Konstruktionsmaterialien so ausgelegt, dass sie wiederholten variablen ein- oder mehrachsigen proportionalen oder nichtproportionalen Belastungsbedingungen standhalten. Häufig basieren die Entwürfe für diese Art von Metallkonstruktionen auf elastischen (ertragsbegrenzten) Analysen, welche die Tragfähigkeitsreserven des Materials nicht ausnutzen, was zu Ineffizienzen bei Gewicht und Haltbarkeit der Konstruktion führt. Im Gegensatz dazu können Shakedown-Konstruktionen, also Designs mit einem sicheren zyklischen und elastoplastischen Verhalten, die Bauteillebensdauer verlängern und/oder Vorteile für eine leichte Bauweise bringen.
Lehigh University bereit für das Shakedown-Design
Ein Shakedown wird erreicht, indem bei zyklischer Belastung entsprechende Eigenspannungen aufgebaut werden, die zum Abbruch der plastischen Akkumulation und zur Wiederherstellung des rein elastischen Verhaltens führen. Obwohl bereits in den 1920er Jahren entwickelt, sind Shakedown-Konzepte und Designregeln außerhalb der Nuklearindustrie wenig bekannt und werden in vielen Konstruktionskreisen kaum genutzt. Ein Haupthindernis für die breitere Anwendung der Shakedown-Analyse ist das Fehlen einer experimentellen Bewertung über einen Bereich von anspruchsvollen thermomechanischen Belastungsbedingungen unter Verwendung moderner Vollfeldmessungen. Diese experimentelle Einstufung zur Verfügung zu stellen, um breitere Anwendungen im Shakedown-Design und der Optimierung zu ermöglichen, ist eines der Hauptziele des Teams von Dr. Natasha Vermaak an der Lehigh University.
Experimentelle Daten ermöglichen es dem Team in Lehigh, konstitutive Modelle zu kalibrieren. Sie kombinieren Informationen, die von Kontaktextensometern und dem berührungslosen DIC-System (digitale Bildkorrelation) geliefert werden, um zyklisches, unelastisches Verhalten besser zu verstehen und zu modellieren.
Daten-Synchronisation
Der Regler des Prüfsystems hat mehrere digitale und analoge Ein- und Ausgänge, welche die thermomechanische Prüfung mit dem DIC-Regler für die DIC-Messungen synchronisieren. Die Versuchsdaten werden in beiden Systemen gespeichert; die DIC-Ergebnisse (DIC-Felder, Komponenten, Projekte) werden im DIC-System gespeichert, während die Daten des Prüfsystems dort gespeichert werden. Über die Analogausgänge des Prüfsystemreglers können aber auch zwei Kanäle mit Thermografiekompensation an das DIC-System gesendet und in den entsprechenden DIC-Projekten gespeichert werden. Dies ermöglicht eine bessere zeitliche Synchronisation zwischen den DIC-Feldern und den angelegten Lasten. Es erleichtert auch den Vergleich der Vollfeldmessungen mit den punktbasierten Daten.
Datenanalyse und -reduzierung
Ein wichtiges Merkmal der Prüfsystem-Software ist die Möglichkeit, Experimente zu programmieren, die das Verhalten aufgrund von Zwischenmessungen ändern. Mit Hilfe der bedingten Programmierung führen die Messungen der Prüfkörperreaktion zu unterschiedlichen Kriterien und starten zusätzliche Messungen oder passen die Belastungsbedingungen an. Bei der Shakedown-Prüfung soll festgestellt werden, ob sich die plastische Akkumulation bei zyklischer Belastung stabilisiert oder nicht. Die Software kann ein benutzerdefiniertes Programm erzeugen, das automatisch auf diese Bedingung prüft. Bei Verwendung zum Triggern des DIC-Reglers werden nur die relevanten Daten aufgezeichnet und eine Datenreduktion durchgeführt. Das DIC-System bietet auch ergänzende Funktionen für die Datensynchronisation und -erfassung.
Komplementäre Lösungen zur Dehnungsmessung
Das Prüflabor verwendet sowohl berührende als auch berührungslose Dehnungsmesslösungen, da sie zusammen eine umfassendere Materialeinstufung liefern. DIC liefert viel mehr Informationen als ein Extensometer, z. B. Verschiebungen und Dehnungen an allen sichtbaren Punkten der Probe. Berührungslose Messlösungen bieten zudem einige zusätzliche Freiheiten hinsichtlich Probengröße, Versuchsaufbau und Wiederverwendbarkeit. Andererseits sind berührende Extensometer als robuste und zuverlässige Dehnungsmesstechnik bekannt. Extensometer ermöglichen auch höhere Datenerfassungsraten als ein DIC-System, dessen Bilder einen erheblichen Datenspeicherplatz und Zeitaufwand für die Verarbeitung erfordern können.
Das Vermaak-Labor profitiert von der Engineering-, Anwendungs- und Integrationsunterstützung, die es von seinen Prüfsystem- und DIC-Systempartnern erhält, wodurch die Datenerfassung, -synchronisation und -analyse mit diesen Systemen genau und effizient wird.
Lehigh University bereit für das Shakedown-Design
Ein Shakedown wird erreicht, indem bei zyklischer Belastung entsprechende Eigenspannungen aufgebaut werden, die zum Abbruch der plastischen Akkumulation und zur Wiederherstellung des rein elastischen Verhaltens führen. Obwohl bereits in den 1920er Jahren entwickelt, sind Shakedown-Konzepte und Designregeln außerhalb der Nuklearindustrie wenig bekannt und werden in vielen Konstruktionskreisen kaum genutzt. Ein Haupthindernis für die breitere Anwendung der Shakedown-Analyse ist das Fehlen einer experimentellen Bewertung über einen Bereich von anspruchsvollen thermomechanischen Belastungsbedingungen unter Verwendung moderner Vollfeldmessungen. Diese experimentelle Einstufung zur Verfügung zu stellen, um breitere Anwendungen im Shakedown-Design und der Optimierung zu ermöglichen, ist eines der Hauptziele des Teams von Dr. Natasha Vermaak an der Lehigh University.
Experimentelle Daten ermöglichen es dem Team in Lehigh, konstitutive Modelle zu kalibrieren. Sie kombinieren Informationen, die von Kontaktextensometern und dem berührungslosen DIC-System (digitale Bildkorrelation) geliefert werden, um zyklisches, unelastisches Verhalten besser zu verstehen und zu modellieren.
Daten-Synchronisation
Der Regler des Prüfsystems hat mehrere digitale und analoge Ein- und Ausgänge, welche die thermomechanische Prüfung mit dem DIC-Regler für die DIC-Messungen synchronisieren. Die Versuchsdaten werden in beiden Systemen gespeichert; die DIC-Ergebnisse (DIC-Felder, Komponenten, Projekte) werden im DIC-System gespeichert, während die Daten des Prüfsystems dort gespeichert werden. Über die Analogausgänge des Prüfsystemreglers können aber auch zwei Kanäle mit Thermografiekompensation an das DIC-System gesendet und in den entsprechenden DIC-Projekten gespeichert werden. Dies ermöglicht eine bessere zeitliche Synchronisation zwischen den DIC-Feldern und den angelegten Lasten. Es erleichtert auch den Vergleich der Vollfeldmessungen mit den punktbasierten Daten.
Datenanalyse und -reduzierung
Ein wichtiges Merkmal der Prüfsystem-Software ist die Möglichkeit, Experimente zu programmieren, die das Verhalten aufgrund von Zwischenmessungen ändern. Mit Hilfe der bedingten Programmierung führen die Messungen der Prüfkörperreaktion zu unterschiedlichen Kriterien und starten zusätzliche Messungen oder passen die Belastungsbedingungen an. Bei der Shakedown-Prüfung soll festgestellt werden, ob sich die plastische Akkumulation bei zyklischer Belastung stabilisiert oder nicht. Die Software kann ein benutzerdefiniertes Programm erzeugen, das automatisch auf diese Bedingung prüft. Bei Verwendung zum Triggern des DIC-Reglers werden nur die relevanten Daten aufgezeichnet und eine Datenreduktion durchgeführt. Das DIC-System bietet auch ergänzende Funktionen für die Datensynchronisation und -erfassung.
Komplementäre Lösungen zur Dehnungsmessung
Das Prüflabor verwendet sowohl berührende als auch berührungslose Dehnungsmesslösungen, da sie zusammen eine umfassendere Materialeinstufung liefern. DIC liefert viel mehr Informationen als ein Extensometer, z. B. Verschiebungen und Dehnungen an allen sichtbaren Punkten der Probe. Berührungslose Messlösungen bieten zudem einige zusätzliche Freiheiten hinsichtlich Probengröße, Versuchsaufbau und Wiederverwendbarkeit. Andererseits sind berührende Extensometer als robuste und zuverlässige Dehnungsmesstechnik bekannt. Extensometer ermöglichen auch höhere Datenerfassungsraten als ein DIC-System, dessen Bilder einen erheblichen Datenspeicherplatz und Zeitaufwand für die Verarbeitung erfordern können.
Das Vermaak-Labor profitiert von der Engineering-, Anwendungs- und Integrationsunterstützung, die es von seinen Prüfsystem- und DIC-Systempartnern erhält, wodurch die Datenerfassung, -synchronisation und -analyse mit diesen Systemen genau und effizient wird.
