Methodik für eine hochfrequente Ermüdungsprüfung an Faserverbundwerkstoffen

Kurzfassung

Ermüdung ist ein Thema, das nicht nur klassische Konstruktionswerkstoffe betrifft, sondern auch moderne Stoffklassen wie Faserverbundwerkstoffe. Somit müssen auch für Faserverbundwerkstoffe Kennwerte ermittelt werden, die eine zuverlässige, ermüdungsgerechte Auslegung erlauben. Insbesondere bei Anwendungen, die eine erhöhte Widerstandsfähigkeit gegen Ermüdungserscheinungen bis in den Bereich sehr hoher Lastspielzahlen hinein erfordern, müssen gesicherte Ergebnisse generiert werden. Die größte Herausforderung bei der Ermittlung von Kennwerten im Bereich jenseits von 107 Lastwechsel besteht in der langen Versuchsdauer, die sich durch die sehr große Anzahl von Lastwechseln ergibt, wenn eine konservative, geringe Prüffrequenz verwendet wird. Eine Möglichkeit diese lange Versuchsdauer zu verkürzen besteht darin, die Prüffrequenz deutlich zu erhöhen. Das führt zu einer Prüfung, die das reale Ermüdungsleben im Zeitraffer abbildet. Zwei Kernaspekte ergeben sich daraus, einerseits muss eine Prüftechnik erforscht werden, die eine erhöhte Prüffrequenz zulässt und andererseits muss gezeigt werden, dass dieser Zeitraffer zulässig ist. Eine erhöhte Prüffrequenz kann mit zwangsgeführten Prüfsystemen nur eingeschränkt realisiert werden. Diese Prüfsysteme müssen stets ihre eigenen Massenkräfte unterdrücken, damit sie nicht in Resonanz geraten und instabil werden. Genau diese Massenkräfte können jedoch zur Lasterzeugung genutzt werden. Hierfür wird ein System ausgelegt, das aus kinetischen und potentiellen Energiereservoirs besteht, zwischen denen die Energien periodisch pendeln können. Wird das System dabei so gestaltet, dass die Materialprobe das potentielle Reservoir darstellt, wird diese Probe durch einen mechanischen Belastungszustand ermüdet. Dieser Belastungszustand kann und muss dabei so gestaltet werden, dass eine eineindeutige Korrelation von Schädigungszustand und verursachter Belastung gefunden werden kann. In dieser Arbeit wird daher das Augenmerk auf einen einachsigen, gradientenfreien Belastungszustand gelegt. Dieser erlaubt die Bestimmung möglichst grundlegender Ingenieurskonstanten. In dieser Arbeit wird gezeigt, dass ein solcher einachsiger, gradientenfreier Belastungszustand in einem resonant arbeitenden Prüfsystem erzeugt werden kann. Durch die Anpassung der beiden Energiereservoirs aneinander wird eine erhöhte Prüffrequenz von deutlich über 100 Hz erreicht. Zusätzlich zu dem grundlegenden Prüfsystem wird eine Regelung vorgestellt, die zwei Aufgaben hat. Erstens wird die Eigenfrequenz des Systems detektiert und die Anregungsfrequenz darauf angepasst. Zweitens wird die, durch die Resonanzüberhöhung erzeugte, Belastung konstant gehalten. Zeitgleich werden Messaufgaben durch die Regelung übernommen, um den aktuellen Zustand der Probe zu überwachen. Hierzu werden verschiedene Messprinzipien vorgestellt und hinsichtlich ihrer Anwendbarkeit für die Messaufgaben bewertet. Abschließend wird der Gültigkeitsbereich hochfrequenter Materialprüfung dargestellt. Hierzu werden vergleichende Messungen bei verschiedenen Prüffrequenzen vorgenommen und daraus abgeleitete Indizien vorgestellt, die die Gültigkeit hochfrequenter Materialprüfung belegen.