Automatisierung eines Mixed-Mode-Rahmens für Rissfortschrittsversuche

Abstract

Um zukünftig das Gewicht von Flugzeugen weiter zu reduzieren ohne dabei die hohen Sicherheitsstandards zu gefährden und Wartungsintervalle zukünftig exakter vorherzusagen, ist es notwendig, Eigenschaften und Verhalten verwendeter Werkstoffe umfassend zu verstehen. Für technische Aluminiumlegierungen, welche weite Anwendung in der Luftfahrt finden, sind Ermüdungsrisse und deren Ausbreitung ein wesentlicher Schadensfall. Daher sind umfangreiche Kenntnisse über den Zusammenhang von Belastung, Materialeigenschaften und Ermüdungsrissverhalten erforderlich. Während des Versuchs in den Belastungsanteilen veränderliche Mixed-Mode-Beanspruchungen lassen sich derzeit sehr schwierig und nicht automatisiert im werkstoffmechanischen Experiment abbilden. In dieser Arbeit wird ein automatisierter Mixed-Mode-Rahmen konstruiert. Er soll die Möglichkeit schaffen, Rissfortschritt unter variierenden Mixed-Mode-Belastungen zu erforschen. Um langfristig in einen Experiment-Simulations-Regelkreis eingebunden werden zu können, soll der Rahmen nicht nur verschiedene Mixed-Mode-Belastungszustände mit veränderlichen Mode-I/Mode-II-Anteilen nacheinander herstellen können, sondern auch automatisierbar sein. Dadurch kann eine Probe möglichst realen Beanspruchungen ausgesetzt werden. Die Konstruktion wird anhand der Richtlinien VDI 2221, VDI 2222 und VDI 2223 in vier Schritten ausgeführt. Als erstes werden Anforderungen definiert, welche sich insbesondere aus den zukünftigen Anwendern des Rahmens und seinem Vorgängerprodukt als Anforderungsquellen ergeben. Anschließend werden Funktionen und Funktionsstrukturen erstellt. Auf deren Grundlage werden Lösungsprinzipien im morphologischen Kasten gesammelt und zu mehreren Gesamtlösungsalternativen kombiniert. Nachdem mit einer gewichteten Punktbewertung die am besten geeignete Lösungsalternative ausgewählt wurde, wurde die Einspannung in CAD gestaltet und so für die Fertigung vorbereitet. Das Ergebnis der Arbeit ist ein Rahmen, der über ein Schneckengetriebe von zwei Schrittmotoren angetrieben wird. Die Motoren können vollständig automatisiert angesteuert werden. Dadurch lässt sich ein und dieselbe Probe über die Versuchsdauer verschiedenartigen Spannungsverhältnissen aussetzen, ohne, dass ein manueller Eingriff erforderlich ist. So kann der Rahmen langfristig in einem Experiment-Simulations-Regelkreis eingesetzt werden. Die Mixed-Mode-Belastung kann in einem Winkelbereich von - 27° bis +90° aufgebracht werden. Der Rahmen ist für Prüfungen von CTS-Proben (compact tension shear) auf uniaxialen Prüfmaschinen geeignet. Außerdem ermöglicht er einen Probenwechsel, ohne den Rahmen von der Prüfmaschine zu tren