DE102005048251A1 - Mechanical properties determining method for material such as metal or plastic or packaging, involves dynamically loading sample and using iterative calculation on data to carry out simulation - Google Patents

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Abstract

The method determines the mechanical properties of the material by dynamically loading a sample of the material and measuring and recording values characterizing the load. These values are then further processed as data in a computer (7). Based on output data on the sample and/or its material stored in the computer, a stepwise approximation to the measured values or data is carried out using an automatic iterative calculating process run during or directly after the loading and which carries out a simulation. An independent claim is also included for apparatus for carrying out the method.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Ermittlung mechanischer Eigenschaften eines Materials, insbesondere von Metallen, Kunststoffen, Verbundwerkstoffen oder dergleichen, durch dynamische Belastung eines Probekörpers aus diesem Material und unter Messung und Aufzeichnung von die Belastung charakterisierenden Werten und Weiterverarbeitung dieser Werte als Daten in mindestens einem Rechner.The The invention relates to a method and a device for detection mechanical properties of a material, in particular of metals, plastics, Composite materials or the like, by dynamic load of a test specimen this material and taking measurement and recording of the load characterizing values and further processing of these values as Data in at least one computer.

Zur rechnerischen Simulation von dynamischen Vorgängen in Bauteilen aus bestimmten Materialien ist es erforderlich, das Materialverhalten, beispielsweise das Spannungs-/Dehnungsverhalten, dessen Abhängigkeit von der Temperatur und von der Belastungsgeschwindigkeit etc., genau zu kennen. Es ist bekannt, Probekörper aus den betreffenden Materialien in Prüfmaschinen zu belasten, um das Materialverhalten zu ermitteln. Im Einsatz befindliche Prüfmaschinen für die Ermittlung von dynamischen Materialeigenschaften sind meist aufwändig und teuer, da ein erheblicher maschineller Aufwand erforderlich ist, um konstante hohe Geschwindigkeiten und hohe Kräfte wirken zu lassen. Zudem sind die mit den derzeitigen Methoden ermittelten Materialdaten aus unterschiedlichen Gründen weit von der Realität entfernt. Die wesentlichen Gründe für die Abweichungen der ermittelten Daten von den realen Materialkennwerten ist die Art der Belastung derzeitiger Prüfkörper sowie deren Herstellung.to mathematical simulation of dynamic processes in components of certain Materials, it is necessary to the material behavior, for example the stress / strain behavior, its dependence on the temperature and from the loading speed, etc., to know exactly. It is known, test specimen from the materials concerned in testing machines to load the Determine material behavior. In-use testing machines for the Determination of dynamic material properties are usually complex and expensive, as a considerable mechanical effort is required, to make constant high speeds and high forces act. moreover are the material data obtained using current methods because of different reasons far from reality away. The main reasons for the Deviations of the determined data from the real material characteristics is the type of load on current test specimens and their production.

Die Ermittlung der Materialeigenschaften erfolgt gemäß dem Stand der Technik insbesondere durch die Auswertung von Zugversuchen, meist anhand von zylindrischen Probekörpern oder flachen Schulterstäben. Diese Probekörper werden aufgrund der benötigten Abmessungen im Allgemeinen durch ein Verfahren hergestellt, das sich vom Prozess zur serienmäßigen Herstellung stark unterscheidet. Ein Beispiel dafür stellt die Herstellung von zylindrischen Probekörpern aus Kunststoff dar, die durch mechanische spanabhebende Bearbeitung von zuvor gepressten dickwandigen Platten erzeugt werden. Molekülorientierung, mögliche Faser- oder Partikelorientierung und Morphologie des Kunststoffes weichen dabei stark von später im Einsatz befindlichen Bauteilen ab, die aus diesem Material, beispielsweise im Spritzgussverfahren, gefertigt werden. Bei Metallbauteilen ist ebenfalls der Herstellprozess für deren Eigenschaften von großer Bedeutung, da durch Strömungs- und Verformungsverhältnisse oder Abkühlbedingungen die Gefügestrukturen und Kristallgrößen im Werkstoff und somit Festigkeiten und Dehnvermögen stark beeinflusst werden. Die Unterschiede zwischen den Eigenschaften aufgrund der Herstellbedingungen können mehrere 100 % betragen.The Determination of the material properties is carried out according to the prior art in particular by the evaluation of tensile tests, mostly based on cylindrical specimens or flat shoulder bars. These specimens be due to the needed Dimensions generally made by a process that from the process of mass production strongly different. An example of this is the production of cylindrical specimens Made of plastic, by mechanical machining be produced by previously pressed thick-walled plates. Molecular orientation, possible Fiber or particle orientation and morphology of the plastic deviate strongly from later in use from components that made of this material, for example by injection molding. For metal components is also the manufacturing process for their properties of great Meaning, since by flow and deformation conditions or cooling conditions the microstructures and crystal sizes in the material and thus strength and elasticity are strongly influenced. The differences between the properties due to the manufacturing conditions can several hundred percent.

Der dynamische Zugversuch stellt keine adäquate Belastung eines Probekörpers dar, da die am Häufigsten auftretende Belastungsart auf den meisten Gebieten der Technik eine Biegebelastung ist. Im Biegeversuch werden die Zonen, die den Oberflächen näher liegen, deutlich stärker belastet, was sich in den gemessenen Daten wiederspiegelt. Unterschiede in den Eigenschaften von Probekörpern und tatsächlichen Bauteilen sind auch zwischen oberflächennahen Bereichen im Probekörper bzw. Bauteil und Bereichen im Inneren des Probekörpers (Kernschicht) bzw. Bauteiles zu finden. Randzonen besitzen meist eine ausgeprägtere Orientierung von Molekülen, Füllstoffen oder kristallinen Zonen und auch feinkörnigere Strukturen. Auch die Unterschiede in den mechanischen Eigenschaften zwischen Oberflächenschicht und Kernschicht können über 100 % betragen. Aus diesem Grund ist der Biegeversuch für die meisten technischen Lastfälle zu bevorzugen. Die in einem dynamischen Zugversuch feststellbaren Eigenschaften lassen daher keine ausreichend genauen Aussagen über das Spannungs/Dehnungsverhalten zu.Of the dynamic tensile test does not represent adequate stress on a specimen because the most common occurring stress in most areas of technology Bending load is. In the bending test, the zones that are closer to the surfaces, much stronger charged, which is reflected in the measured data. differences in the properties of specimens and actual Components are also between near-surface areas in the test specimen or Component and areas inside the test specimen (core layer) or components to find. Edge zones usually have a more pronounced orientation of molecules, fillers or crystalline zones and also finer-grained structures. Also the Differences in mechanical properties between surface layer and core layer can be over 100 %. For this reason, the bending test is for most technical load cases to prefer. The detectable in a dynamic tensile test Properties therefore can not be sufficiently precise statements about the Stress / strain behavior too.

Bekannt ist es auch, Probekörper dynamisch auf Biegung zu beanspruchen. Dabei wird der meist streifenförmige Probekörper, welcher auch aus einem realitätsnahen Herstellungsverfahren stammen kann, zwar einer realitätsnaheren Belastungsart als eine dynamische Belastung auf Zug ausgesetzt, diese Belastungsart hat jedoch den Nachteil einer schwierigen Auswertung, sodass auch hier die Ermittlung der tatsächlichen Materialeigenschaften auf einfachem Weg nicht möglich ist.Known it is too, specimen to stress dynamically on bending. Here is the most strip-shaped specimen, which also from a realistic Production process, although a more realistic Load type is exposed as a dynamic load on train, However, this type of load has the disadvantage of a difficult evaluation, so here too the determination of the actual material properties not possible in a simple way is.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Verfügung zu stellen, welche es ermöglichen, Materialeigenschaften anhand von realitäts- und somit seriennah erstellten Probekörpern in kurzer Zeit, je nach Komplexität des Materials in wenigen Minuten bis Stunden, exakt ermitteln zu können.Of the The invention is therefore based on the object, a method and a Device available which make it possible Material properties based on realistic and thus close to production specimens in a short time, depending on the complexity of the material in a few Minutes to hours, to determine exactly.

Was das Verfahren betrifft wird die gestellte Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass auf Basis von im Rechner gespeicherten Ausgangsdaten über den Probekörper und/oder sein Material unter Anwendung eines während oder unmittelbar nach der Belastung automatisch ablaufenden, Simulationen durchführenden, iterativen Rechenverfahrens rechnerisch eine schrittweise Annäherung an die gemessenen Werte bzw. Daten durchgeführt wird. Die Simulation bildet dabei den komplex ablaufenden Belastungsversuch durch entsprechende Rechenmodelle virtuell ab.What The method concerns the task according to the invention solved, that based on stored in the computer output data on the specimens and / or its material using one during or immediately after Load automatically, performing simulations, Iterative calculation method a gradual approximation the measured values or data is carried out. The simulation forms thereby the complex expiring load attempt by appropriate Virtual computing models.

Eine erfindungsgemäß ausgeführte Vorrichtung ist gekennzeichnet, durch
eine Einrichtung zum Positionieren, insbesondere zum losen Auflegen, zum Einspannen oder sonstigen Fixieren des Probekörpers,
eine Einrichtung zur Belastung des Probekörpers auf Biegung, vorzugsweise bis zum Bruch, mittels einer in Bewegung gesetzten Masse,
messtechnische Einrichtungen zur Ermittlung von am Probekörper auftretenden Beschleunigungs-, Kraft- oder Wegdaten, insbesondere in Abhängigkeit von der Zeit, ein im Rechner auflaufendes Programm, welches auf Basis von gespeicherten, insbesondere den Probekörper und/oder sein Material betreffende Ausgangsdaten automatisch in einem iterativ Simulationen durchführenden Rechenverfahren eine schrittweise Annäherung der rechnerisch ermittelten Daten an die realen Messwerte durchführt.An inventively executed device is characterized by
a device for positioning, in particular for loose placement, for clamping or otherwise fixing the specimen,
a device for loading the specimen on bending, preferably until fracture, by means of a mass set in motion,
Metrological devices for determining acceleration, force or displacement data occurring on the specimen, in particular as a function of time, a program running in the computer, which automatically based on stored, in particular the specimen and / or its material output data in an iterative simulations carrying out a gradual approximation of the computationally determined data to the real measured values.

Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglichen die Ermittlung von Materialeigenschaften auch an Prüfkörpern mit schwierig feststellbarem physikalischem Verhalten, wie beispielsweise bei einer dynamischen Schwingung durch den Aufprall von Masse, und gegebenenfalls schwieriger Geometrie aus unterschiedlichen Materialien. Die Probekörper können dabei realitätsnah bzw. seriennah hergestellt sein. Die rechnerisch ermittelten Daten sind dabei insbesondere solche, die das Spannungs/Dehnungsverhalten als Kurvenverlauf für eine bestimmte Belastungsgeschwindigkeit bzw. Temperatur etc. wiedergeben. Für manche Materialien, beispielsweise Polyamid, ist auch die durch das Material aufgenommene Feuchte für die Eigenschaften von großer Bedeutung. Die Spannungs/Dehnungskurve spiegelt die mechanische Charakteristik des Materials wider und Kennwerte, wie der E-Modul, die Festigkeit oder die Bruchdehnung, sind aus diesem Kurvenverlauf ablesbar.The inventive method and the device according to the invention enable the determination of material properties also on specimens with difficult to detect physical behavior, such as in a dynamic vibration by the impact of mass, and possibly difficult geometry made of different materials. The test specimens can do it realistically or produced close to production. The calculated data are in particular those that the stress / strain behavior as a curve for a certain load speed or temperature etc. play. For some Materials, such as polyamide, is also the one through the material absorbed moisture for the properties of great Importance. The stress / strain curve reflects the mechanical Characteristic of the material and characteristics such as modulus of elasticity, the strength or elongation at break, are from this curve read.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden bzw. sind als Ausgangsdaten den Probekörper und/oder sein Material kennzeichnende oder beschreibende Daten, wie Abmessungen, Gewicht, Dichte etc., im Rechner abgespeichert. Dadurch wird eine schnelle und exakte rechnerische Ermittlung des Spannungs/Dehnungsverlaufes unterstützt.According to one preferred embodiment of Invention are or are as starting data the specimen and / or his material characterizing or descriptive data, such as dimensions, Weight, density, etc., stored in the calculator. This will be a fast and exact computational determination of the stress / strain curve supported.

In diesem Zusammenhang ist es günstig, wenn der geschätzte E-Modul des Materials des Probekörpers als Ausgangswert abgespeichert wird und derart ebenfalls den Berechnungen zugrunde gelegt werden kann.In In this context, it is favorable if the esteemed Modulus of elasticity of the specimen is stored as output value and so also the calculations can be taken as a basis.

Daten aus bereits durchgeführten Berechnungen zu Belastungen bzw. Versuchen können ebenfalls als Ausgangsdaten herangezogen werden und vorteilhafterweise den Ablauf der rechnerischen Simulation verkürzen.dates from already performed Calculations on loads or tests can also be used as output data be used and advantageously the process of computational simulation shorten.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird aus den bei der Belastung des Probekörpers gemessenen und an den Rechner übermittelten Werten vom Rechner eine Beschleunigung/Zeitkurve erstellt. Die für die Erstellung der Beschleunigung/Zeitkurve benötigten Messwerte lassen sich während der Belastung des Probekörpers gut ermitteln.at a preferred embodiment the method according to the invention is measured from the load of the test specimen and to the Calculator submitted Values created by the calculator an acceleration / time curve. The for the creation the acceleration / time curve needed Measurements can be during the load of the specimen determine well.

Dabei wird im Rechenverfahren das Verhalten des Probekörpers unter der durchgeführten Belastung durch Teilung des Probekörpers in Teilbereiche numerisch simuliert. Auf diese Weise lässt sich in einem iterativen Rechenverfahren eine besonders exakte Annäherung an die gemessenen Werte erzielen. Gut geeignet sind numerische Simulationen auf Basis der Methode der finiten Elemente, auf Basis der Methode der finiten Differenzen oder unter Verwendung von neuronalen Netzen.there is calculated in the calculation method, the behavior of the specimen under the load by division of the specimen numerically simulated in subareas. That way you can in an iterative calculation method, a particularly exact approximation achieve the measured values. Well suited are numerical simulations based on the method of finite elements, based on the method of finite differences or using neural networks.

Bei einer bevorzugten Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Probekörper auf Biegung bis zum Bruch belastet, was eine besonders realitätsnahe Belastungsart ist.at a preferred embodiment the method according to the invention becomes the specimen loaded on bending to break, which is a particularly realistic load is.

Für manche Überprüfungen ist es von Vorteil, wenn der Probekörper auf Zug- und oder Druck belastet wird.For some reviews is it is advantageous if the specimen is loaded on tensile and or pressure.

Die Einrichtung zur Belastung des Probekörpers ist vorzugsweise ein Pendelschlagwerk oder ein Fallturm. Diese Einrichtungen gestatten eine Belastung des Probekörpers auf Biegung bis zum Bruch und können auf relativ einfache Weise mit den zur Ermittlung der Messwerte erforderlichen Einrichtungen, wie Beschleunigungsaufnehmer, Kraftsensoren, Dehnmessstreifen und dergleichen, versehen werden.The Device for loading the specimen is preferably a Pendulum impactor or a drop tower. These facilities allow a load on the specimen on a bend to break and can in a relatively simple way with those for determining the measured values required facilities, such as accelerometers, force sensors, strain gauges and the like.

Der Belastungsvorgang kann zusätzlich von einer Kamera aufgezeichnet werden, um Vergleiche mit einer etwaig vom Rechner simulierten Darstellung des Bruchvorganges durchzuführen.Of the Loading process may additionally Recorded by a camera to make comparisons with a possible computer simulated representation of the fracture process to perform.

Bei einem Pendelschlagwerk besteht die Pendelstange, die ja hohen dynamischen Belastungen unterliegt, bevorzugt aus einem Kohlefaserverbundmaterial oder enthält ein derartiges Material. Dieses Material stellt geringe Störungen durch Eigenschwingungen sicher, was für eine genaue und störungsarme Auswertung der Messdaten aus dem Belastungsversuch von großer Bedeutung ist.at a pendulum impactor is the pendulum rod, the high dynamic Strains subject, preferably from a carbon fiber composite material or contains such a material. This material will cause minor disturbances Self-oscillations sure, what for an accurate and low-interference Evaluation of the measurement data from the load test of great importance is.

Weitere Merkmale, Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden nun anhand der Zeichnung, die ein Ausführungsbeispiel darstellt, näher beschrieben. Dabei zeigenFurther Features, advantages and details of the invention will now be apparent the drawing, the one embodiment represents, closer described. Show

1 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einer Prüfeinrichtung und einem Rechner und 1 An embodiment of a device according to the invention with a tester and a computer and

2 ein Diagramm, in welchem Experiment und Simulation gegenüber gestellt sind. 2 a diagram in which experiment and simulation are compared.

1 zeigt schematisch eine Ausführung einer Prüfvorrichtung als Pendelschlagwerk. Das dargestellte Pendelschlagwerk weist eine Basisplatte 1 und zwei Halterungen 2 zur Aufnahme der drehbaren Lagerung eines eine Pendelstange 3a und eine Pendelmasse 3b aufweisenden Pendels 3 auf. Zwischen den beiden Halterungen 2 sind zwei Auflagen 5 zum Positionieren eines Prüfkörpers 6 vorgesehen. Die beiden Auflagen 5 sind bei der dargestellten Ausführungsform für einen Prüfkörper 6 in Form einer Stange oder einer länglichen Platte vorgesehen und gestatten ein loses Auflegen und ein Abstützen des Prüfkörpers 6 beim Auftreffen der Pendelmasse 3b. Der Probekörper kann auch eingespannt oder auf sonstige Weise fixiert werden. Zur Prüfvorrichtung gehören ferner Beschleunigungssensoren, die beispielsweise auf der Pendelmasse sowie gegebenenfalls im Bereich der Auflagen (Widerlager) oder der Grundplatte angeordnet sind, zumindest ein elektrischer Weg- oder Winkelgeber im Bereich der drehbaren Lagerung zur Ermittlung der Pendelstartposition sowie des Pendelwinkels zu verschiedenen Zeitpunkten beim Ablauf der Prüfung, vorzugsweise auch Piezo-Kraftsensoren und/oder Dehnmessstreifen, welche beispielsweise auf den Auflagen 5 oder auf der Pendelmasse 3b im Bereich der Kraftübertragung auf den Prüfkörper angeordnet sind und den Kraftverlauf über die Zeit ermittelt. Die Pendelstange 3a, die dynamischen Belastungen unterliegt, wird bevorzugt aus einem Kohlefaserverbundmaterial hergestellt oder enthält ein derartiges Material aus Gründen einer geringeren Masse und der hohen Steifigkeit und zur Verringerung von Störungen durch Eigenschwingungen. Die Verringerung von Eigenschwingungen der Vorrichtung während des Versuches ist für eine genaue und schnelle Auswertung von großer Bedeutung. 1 schematically shows an embodiment of a test device as a pendulum impact tester. The illustrated pendulum impactor has a base plate 1 and two brackets 2 for receiving the rotatable mounting of a pendulum rod 3a and a pendulum mass 3b having pendulum 3 on. Between the two brackets 2 are two pads 5 for positioning a test specimen 6 intended. The two editions 5 are in the illustrated embodiment for a test specimen 6 provided in the form of a rod or an elongated plate and allow a loose laying and supporting the specimen 6 when hitting the pendulum mass 3b , The specimen can also be clamped or otherwise fixed. The test apparatus further includes acceleration sensors, which are arranged for example on the pendulum mass and optionally in the area of the supports (abutment) or the base plate, at least one electrical displacement or angle sensor in the region of the rotatable mounting for determining the pendulum start position and the pendulum angle at different times during the process the test, preferably also piezoelectric force sensors and / or strain gauges, which, for example, on the conditions 5 or on the pendulum mass 3b are arranged in the field of power transmission to the specimen and determines the force curve over time. The pendulum rod 3a , which is subject to dynamic loads, is preferably made of a carbon fiber composite material or contains such a material for reasons of lower mass and high rigidity and to reduce disturbances due to natural vibrations. The reduction of natural vibration of the device during the experiment is of great importance for accurate and rapid evaluation.

Ein Rechner 7, welcher über ein Programm Daten der Versuchsdurchführung bearbeitet und rechnerisch zumindest eine Simulation pro Prüfung durchführt, ist ein weiterer Bestandteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Anstelle eines Rechners können zur Reduktion der Rechenzeit mehrere Rechner in Form eines Clusters vorgesehen sein. Vor der Versuchsdurchführung werden den Probekörper und gegebenenfalls sein Material betreffende Daten eingegeben, zu welchen die Dimensionen des Probekörpers, Gewicht, Dichte, gegebenenfalls die Prüfbedingungen (Luftfeuchtigkeit, Temperatur), aber auch Daten über das Pendelschlagwerk, wie Pendelmasse, Pendellänge, Auflagelänge des Probekörpers im Pendelschlagwerk etc., gehören. Gegebenenfalls können auch ein geschätzter E-Modul sowie die erwartete Bruchdehnung eingegeben werden, wobei vorgesehen ist, dass aus sämtlichen Werten die benötigte Energie für die Belastung bis zum Bruch durch das Programm errechnet wird. Anhand der Energie errechnet der Rechner die für das voraussichtliche Durchschlagen des Probekörpers erforderliche Pendelhöhe bzw. die zu wählende Pendelmasse 3b.A calculator 7 which processes data of the experimental procedure via a program and carries out at least one simulation per test by calculation, is a further component of the device according to the invention. Instead of a computer, several computers in the form of a cluster can be provided to reduce the computing time. Prior to the experiment, the specimen and, where appropriate, his or her material data are entered, to which the dimensions of the specimen, weight, density, if necessary, the test conditions (humidity, temperature), but also data on the pendulum impact, such as pendulum mass, pendulum length, support length of the specimen in Pendulum impactor, etc., belong. If appropriate, an estimated modulus of elasticity and the expected elongation at break can also be entered, whereby it is provided that the required energy for the load is calculated from all values until it is broken by the program. Based on the energy calculates the calculator required for the probable penetration of the specimen pendulum height or the pendulum mass to be selected 3b ,

Beim Durchschlagen des Probekörpers durch die Pendelmasse 3b werden an den Rechner die zur Erstellung des in 2 gezeigten Beschleunigungs-Zeit-Diagrammes 12 erforderlichen Messwerte übermittelt. Nun wird automatisch eine rechnerische Simulation gestartet, wobei ausgehend von Ausgangsdaten in Form einer Spannungs-Dehnungskurve der Belastungsvorgang durch eine Simulation virtuell berechnet wird und schrittweise durch Änderung dieser Ausgangsdaten eine Annäherung der Ergebnisse der Simulation an die realen Messwerte erreicht werden soll. Die rechnerische Simulation erfolgt derart, dass der Probekörper in eine Vielzahl von Teile zerlegt wird, um die physikalischen Abläufe auf numerischem Weg zu ermitteln. Die zu Grunde gelegte numerische Methode ist bevorzugt die Methode der finiten Elemente, es eignen sich aber auch andere Methoden, beispielsweise die Methode der finiten Differenzen oder eine Anwendung von neuronale Netzen. Zu den Ausgangsdaten, die herangezogen werden, gehören die eingegebenen, den Probekörper betreffenden Daten und/oder die eingegebenen geschätzten Daten (Werte, wie E-Modul) und/oder andere Daten (Werte), die bereits im Rechner zu vergleichbaren vorherigen Berechnungen vorhanden sind. Die Ausgangsdaten bzw. Ausgangswerte werden im Rahmen der Simulation so lange variiert, bis die rechnerischen Ergebnisse der Simulation den realen Messdaten des durchgeführten Versuches ausreichend nahe liegen bzw. fast eine Übereinstimmung vorliegt. Das Ergebnis ist ein errechneter Spannungs-/Dehnungsverlauf (Kurve, Tabelle, Werte), der die mechanischen Eigenschaften des seriennah hergestellten Probekörpers unter der realitätsnah durchgeführten Biegebelastung sehr genau wiedergibt. Diese Daten sind die Basis für die Weiterentwicklung oder vergleichende Bewertung von Materialien bzw. dienen wiederum als Eingangsparameter für Simulationen von komplexen Bauteilen. Ein Beispiel dafür ist die Berechung eines Kopfaufpralles auf ein Armaturenbrett bei einem Verkehrsunfall. Das Bauteil (Armaturenbrett) wird auf Biegung belastet und kann mit Hilfe der Erfindung sehr genau optimiert werden, sodass Schaden an Personen bei Unfällen möglichst gering gehalten werden können.When penetrating the specimen by the pendulum mass 3b will be sent to the calculator for creating the in 2 shown acceleration time diagram 12 required measured values. Now, a computational simulation is automatically started, starting from output data in the form of a stress-strain curve of the load process is calculated by a virtual simulation and gradually by changing this output data, an approximation of the results of the simulation to the real measured values should be achieved. The computational simulation is carried out in such a way that the specimen is divided into a plurality of parts in order to determine the physical processes on a numerical way. The underlying numerical method is preferably the method of finite elements, but other methods are also suitable, such as the method of finite differences or an application of neural networks. The output data used include the data entered for the sample and / or the entered estimated data (values such as modulus of elasticity) and / or other data (values) already present in the calculator for comparable previous calculations , The output data or output values are varied within the scope of the simulation until the mathematical results of the simulation are sufficiently close to the real measured data of the test carried out or there is almost a match. The result is a calculated stress / strain curve (curve, table, values) that very accurately reflects the mechanical properties of the specimen produced close to series under the realistic bending load. These data are the basis for the further development or comparative evaluation of materials or serve as input parameters for simulations of complex components. An example of this is the calculation of a head impact on a dashboard in a traffic accident. The component (dashboard) is loaded on bending and can be optimized very precisely with the help of the invention, so that damage to persons in accidents can be kept as low as possible.

Die Kurve 11 in 2 zeigt eine Berechnung, die bereits eine gute Übereinstimmung zu der aus dem Versuch stammenden Kurve 12 aufweist. Das rechnerische Ergebnis ist im Idealfall ein weitgehend realer Spannungs-/Dehnungsverlauf des Materials des Probekörpers.The curve 11 in 2 shows a calculation that is already in good agreement with the test curve 12 having. The mathematical result is ideally a largely real stress / strain curve of the material of the specimen.

Die Erfindung ermöglicht daher die rechnerische Ermittlung von Materialeigenschaften bei dynamisch biegebelasteten Probekörpern. Die Probekörper können beliebigen Bauteilen, beispielsweise auch seriennah hergestellten Bauteilen oder sogar dem Serienbauteil selbst, entnommen werden, wodurch auch eine realitätsnahe Prüfung ermöglicht ist.The Invention allows therefore the computational determination of material properties dynamically bending loaded specimens. The test specimens can Any components, for example, produced close to production Components or even the series component itself, are taken, which also makes it realistic exam allows is.

Ein bevorzugtes Einsatzgebiet der Erfindung ist auch die rechnerische Ermittlung mechanischer Materialeigenschaften für die Qualitätssicherung (Materialeingangsprüfung, Bauteilprüfung).One preferred field of application of the invention is also the computational Determination of mechanical material properties for quality assurance (incoming material inspection, component testing).

Die Erfindung ist daher in vielen Bereichen der Forschung und Entwicklung einsetzbar, beispielsweise bei Automobilherstellern und deren Zulieferbetrieben, Materialherstellern und Materialentwicklern, in der Elektronikindustrie und in Maschinenbauunternehmen.The Invention is therefore in many areas of research and development can be used, for example by car manufacturers and their suppliers, Material manufacturers and material developers, in the electronics industry and in engineering companies.

Das Material der Prüfkörper kann Metall, Kunststoff oder ein Verbundwerkstoff, gegebenenfalls mit Fasern oder Füllstoffen verstärkt, sein. Wie anhand des Ausführungsbeispieles beschrieben erfolgt die Belastung des Probekörpers bevorzugt durch Biegung beim Durchschlagen des Probekörpers. Ein Pendelschlagwerk ist daher auch die bevorzugte Belastungsvorrichtung für den Probekörper. Das Pendel kann durch seine Schwerkraft auf dem Probekörper aufprallen, es kann aber auch eine Antriebskraft auf die Pendelmasse ausgeübt werden.The Material of the test specimen can Metal, plastic or a composite material, optionally with Fibers or fillers strengthened be. As with the embodiment described the load of the specimen preferably takes place by bending when penetrating the test specimen. A pendulum impactor is therefore also the preferred loading device for the Specimen. The Pendulum can bounce on the test specimen due to its gravity, but it can also be exercised on the pendulum mass a driving force.

Eine alternative Ausführungsmöglichkeit einer Belastungsvorrichtung für den Probekörper ist ein Fallturm. Die den Probekörper belastende Masse kann dabei auf einer linearen vertikalen Achse geführt und durch Schwerkraft beschleunigt auf den Probekörper auftreffen. Es sind jedoch auch auf andere, auf hydraulische, pneumatische oder sonstiger mechanischer Weise angetriebene Belastungsvorrichtungen für den Prüfkörper denkbar.A alternative execution option a loading device for the test piece is a drop tower. The the specimen loading mass can be on a linear vertical axis guided and accelerate by gravity hit the specimen. However, it is also applicable to others, to hydraulic, pneumatic or other mechanically driven loading devices for the Test specimen conceivable.

Die durch das Programm durchgeführte und automatisiert ablaufende numerische iterative Berechnung der Materialkennwerte wird in der erforderlichen Anzahl von Schritten durchgeführt, um die vorgegebene (erwünschte) Genauigkeit zu erreichen.The carried out by the program and automates the running numerical iterative calculation of the Material characteristics will be in the required number of steps carried out, around the given (desired) To achieve accuracy.

Claims (18)

Verfahren zur Ermittlung mechanischer Eigenschaften eines Materials, insbesondere von Metallen, Kunststoffen, Verbundwerkstoffen oder dergleichen, durch dynamische Belastung eines Probekörpers aus diesem Material und unter Messung und Aufzeichnung von die Belastung charakterisierenden Werten und Weiterverarbeitung der Werte als Daten in mindestens einem Rechner, dadurch gekennzeichnet, dass auf Basis von im Rechner gespeicherten Ausgangsdaten über den Probekörper und/oder sein Material, unter Anwendung eines während oder unmittelbar nach der Belastung automatisch ablaufenden, Simulationen durchführenden, iterativen Rechenverfahrens rechnerisch eine schrittweise Annäherung an die gemessenen Werte bzw. Daten durchgeführt wird.Method for determining mechanical properties of a material, in particular of metals, plastics, composite materials or the like, by dynamically loading a test specimen from this material and measuring and recording values characterizing the load and further processing the values as data in at least one computer, characterized on the basis of output data stored in the computer over the test specimen and / or its material, using an iterative calculation method which automatically performs during or immediately after the load, a gradual approximation to the measured values or data is performed. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zu den Ausgangsdaten den Probekörper und/oder sein Material kennzeichnende oder beschreibende Daten, wie Abmessungen, Gewicht, Dichte, gehören.Method according to claim 1, characterized in that that to the initial data the specimen and / or its material identifying or descriptive data such as dimensions, weight, density, belong. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zu den Ausgangsdaten geschätzte Daten, beispielsweise der geschätzte E-Modul des Materials des Probekörpers, gehören.Method according to claim 1, characterized in that that data estimated from the output data, for example, the estimated Modulus of elasticity of the material of the specimen, belong. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zu den Ausgangsdaten im Programm vorhandene Daten gehören, die unabhängig vom betreffenden Belastungsversuch bereits abgespeichert sind.Method according to claim 1, characterized in that that data belonging to the output data in the program belongs, the independently already stored by the relevant load test. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass aus den bei der Belastung der Probekörper gemessenen und an den Rechner übermittelten Werten vom Rechner eine Beschleunigungs/Zeitkurve erstellt wird.Method according to one of claims 1 to 4, characterized that from the measured at the load of the specimens and transmitted to the computer Values from the computer an acceleration / time curve is created. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Rechenverfahren das Verhalten des Probekörpers unter der durchgeführten Belastung durch Teilung des Körpers in Teilbereiche numerisch simuliert.Method according to one of claims 1 to 5, characterized that the calculation method under the behavior of the specimen the carried out Burden by division of the body numerically simulated in subareas. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die numerische Simulation auf Basis der Methode der finiten Elemente durchgeführt wird.Method according to one of claims 1 to 6, characterized that the numerical simulation based on the method of finite Elements performed becomes. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die numerische Simulation auf Basis der Methode der finiten Differenzen durchgeführt wird.Method according to one of claims 1 to 6, characterized that the numerical simulation based on the method of finite Differences carried out becomes. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die numerische Simulation unter Verwendung von neuronalen Netzen durchgeführt wird.Method according to one of claims 1 to 6, characterized that the numerical simulation is performed using neural networks. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Probekörper auf Biegung, vorzugsweise bis zum Bruch, belastet wird.Method according to one of claims 1 to 9, characterized that the specimen on bending, preferably to breakage, is charged. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Probekörper auf Zug und/oder Druck belastet wird.Method according to one of claims 1 to 9, characterized in that the specimen is loaded to train and / or pressure. Vorrichtung zur Ermittlung mechanischer Eigenschaften eines Materials, insbesondere von Metallen, Kunststoffen, Faserverbundwerkstoffen oder dergleichen, durch dynamische Belastung eines Probekörpers aus diesem Material und unter Messung und Aufzeichnung von die Belastung charakterisierenden Werten und Weiterverarbeitung dieser Werfe als Daten in zumindest einem Rechner, gekennzeichnet durch, eine Einrichtung zum Positionieren, insbesondere zum losen Auflegen, zum Einspannen oder sonstigen Fixieren des Probekörpers, eine Einrichtung zur Belastung des Probekörpers auf Biegung, vorzugsweise bis zum Bruch, mittels einer in Bewegung gesetzten Masse, messtechnische Einrichtungen zur Ermittlung von am Probekörper auftretenden Beschleunigungs-, Kraft- oder Wegdaten, insbesondere in Abhängigkeit von der Zeit, ein im Rechner ablaufendes Programm, welches auf Basis von gespeicherten, insbesondere den Probekörper und/oder sein Material betreffende Ausgangsdaten automatisch in einem iterativ Simulationen durchführenden Rechenverfahren eine schrittweise Annäherung der rechnerisch ermittelten Daten an die realen Messwerte durchführt.Device for determining mechanical properties a material, in particular of metals, plastics, fiber composites or the like, by dynamically loading a specimen this material and taking measurement and recording of the load characterizing values and further processing of this throw as Data in at least one computer, marked by, a Device for positioning, in particular for laying loose, for clamping or otherwise fixing the specimen, a Device for loading the specimen on bending, preferably until break, by means of a mass set in motion, metrological Means for determining acceleration occurring on the specimen; Force or displacement data, especially as a function of time, one in the computer running program, which is based on stored, in particular the test piece and / or its material related output data automatically in an iterative simulation performing computational a gradual approach performs the computationally determined data to the real measured values. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zur Belastung des Probekörpers ein Pendelschlagwerk ist.Device according to claim 12, characterized in that that the device for loading the specimen is a pendulum impact tester is. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zur Belastung des Probekörpers ein Fallturm ist.Device according to claim 12, characterized in that the device for loading the test specimen is a drop tower. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass eine den Belastungsvorgang aufzeichnende Kamera vorgesehen ist.Device according to one of claims 12 to 14, characterized a camera recording the loading process is provided. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Belastungseinrichtung Beschleunigungsaufnehmer, Kraftsensoren, Dehnmessstreifen und dergleichen aufweist.Device according to one of claims 12 to 15, characterized that the loading device acceleration sensors, force sensors, Has strain gauges and the like. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Pendelstange (3a) aus einem Kohlefaserverbundmaterial besteht oder ein solches enthält.Method according to one of claims 12 to 15, characterized in that the pendulum rod ( 3a ) consists of a carbon fiber composite material or contains such. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass als Ausgangsdaten den Probekörper und/oder sein Material kennzeichnende oder beschreibende Daten und/oder geschätzte Daten und/oder bereits vor dem betreffenden Belastungsversuch vorhandene Daten abgespeichert bzw. speicherbar sind.Device according to claim 12, characterized in that that as starting data the specimen and / or its material identifying or descriptive data and / or estimated data and / or existing data before the relevant load test are stored or storable.
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