DE4205734A1 - Vorrichtung zur elektrodynamischen pruefung einer materialprobe - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur elektrodynamischen Prü­ fung einer Materialprobe, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Für die dynamische Untersuchung einer Material- oder Werkstoffprobe sind mehrere Vorrichtungen bekannt, mittels deren die stabförmige Materialprobe über einen Kolben durch pyrotechnische Mittel oder durch Druckluft einer Impulsbelastung unterzogen wird (sog. "Hop­ kinson-Bar-Appartur").

Um eine biaxiale Impulsbelastung der Materialprobe zu ermöglichen, wurde vorgeschlagen, anstelle der Kolbenanordnung eine Elektromag­ netanordnung vorzusehen (N. G. Ohlson, "Experimental methods in bi­ axial loading at high strain rates", Journal de Physique, Colloque C5, Ergänzung zu Nr. 8, Band 46, Les Ulis Cedex, Frankreich, August 1985). Hierbei ist der Materialprobestab mit jedem seiner Enden an jeweils einer zu ihm koaxialen Kraftübertragungsstange befestigt, von denen die eine an ihrem feien Ende eine Elektromagnetanordnung für die Zugbelastung und die andere an ihrem freien Ende eine Elek­ tromagnetanordnung für die Torsionsbelastung aufweist. Außerdem kann die Zugbelastung unabhängig von der Torsionsbelastung einge­ stellt werden.

Da Zug- und Torsionswelle im gleichen Material unterschiedliche Laufzeiten aufweisen, ist an der Materialprobe in nahezu idealer Weise die Grundlagenforschung möglich; die Simulierung tatsächli­ cher Belastungsverhältnisse mit den oft unvorhersehbaren mehrdimen­ sionalen Spannungen, wie sie in einem tatsächlichen Bauteil bei dessen typischer Belastung auftreten können, ist allerdings auch mit der soeben beschriebenen, gattungsbildenden Vorrichtung nicht möglich, zumal in der Praxis neben Zug- und Torsionsbelastungen auch noch weitere Belastungsarten auftreten können.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Auf­ gabe zugrunde, diese gattungsgemäße Vorrichtung dahingehend weiter­ zubilden, daß eine bessere Simulierung tatsächlicher Impulsbela­ stungen, vorzugsweise mehrdimensionaler Impulsbelastungen, möglich ist. Insbesondere soll die Prüfung eines fertigen Bauteiles, das die Materialprobe bildet, unter realistischen Belastungsbedingungen ermöglicht werden.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Diese Lösung besteht in erster Linie darin, daß erfindungsgemäß ein Ende der Materialprobe kraftübertragend entweder unmittelbar oder über ein geeignetes Kraftübertragungsteil mit dem ortsfesten Rahmen der Vorrichtung verbunden ist, während die Elektromagnetanordnung am gegenüberliegenden Ende der Materialprobe unmittelbar oder über ein geeignetes Kraftübertragungsteil angeordnet ist. Eine eingelei­ tete Impulswelle kann somit am fest eingespannten Ende der Materi­ alprobe ebenso wie bei einem montierten Bauteil reflektiert werden und somit zu Belastungen führen, die dem realistischen Belastungs­ fall eines Bauteils entsprechen.

Bevorzugt kann die erfindungsgemäße Vorrichtung auch tragbar oder sonstwie transportabel ausgebildet sein, so daß die Überprüfung von Bauteilen möglich ist, die in Anordnungen eingebaut sind, deren Prüfung im Labor nicht möglich ist.

Erfindungsgemäß kann erforderlichenfalls jedoch die Elektromagnet­ anordnung so ausgebildet sein, daß sie einzeln oder in beliebiger Kombination Zugimpulse, Druckimpulse, Biegeimpulse bzw. Torsionsim­ pulse aufbringt, wobei die Krafteinleitung möglichst unmittelbar in die Materialprobe ohne Zwischenschaltung einer langen Kraftübertra­ gungsstange stattfindet, sondern allenfalls über ein verhältnis­ mäßig kurzes Kraftübertragungsteil, so daß alle Arten mehrdimensio­ naler Spannungszustände in der Materialprobe herstellbar sind.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung gestattet es somit, jede einzelne der genannten Belastungen, sowie kombinierte Belastungen, wie Druck und Torsion, Zug und Torsion oder Biegung und Torsion mit Dehnungs­ geschwindigkeiten zu erzeugen, die in der Größenordnung von 10⁴ m/s liegen und diese sogar noch erheblich übersteigen kann, da mit Magnetanordnungen Beschleunigungen von bis zu 5·10⁸ m/s² erreichbar sind.

Bei der Elektromagnetanordnung, die bevorzugt aus einer mit dem En­ de der Materialprobe verbundenen Sekundärspulenanordnung und einer dieser gegenüberliegend angeordneten, ortsfesten Primärspulenanord­ nung besteht, ist der Koppelungsfaktor möglichst groß zu wählen, um einen hohen Wirkungsgrad zu erzielen und die Verluste gering zu halten. Es ist daher eine möglichst hohe Kongruenz von Primär- und Sekundärspulenanordnung anzustreben.

Andererseits sollte die Elektromagnetanordnung in axialer Richtung der stabförmigen Materialprobe möglichst kurz bauen, damit auch das Kraftübertragungsteil zwischen der Sekundärspulenanordnung und der Materialprobe kurz sein kann.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind daher die Primärspulenanordnung und die Sekundärspulenanordnung jeweils als ebene Spulenanordnung ausgebildet, die jeweils in einer Radialebene zur Mittelachse der Materialprobe liegen.

Es ist grundsätzlich möglich und wegen des einfachen Aufbaus gege­ benenfalls auch vorteilhaft, daß die Primär- und Sekundärspulenan­ ordnung jeweils nur aus einer einzigen Spule bzw. Schleife oder Ma­ sche gebildet ist, deren Gesamtlage symmetrisch zur Mittelachse der Probe ist, wenn die Vorrichtung nur einer reinen Zug- oder Druckbe­ lastung unterzogen werden soll.

Um möglichst viele Belastungsarten mit der Elektromagnetanordnung aufbringen zu können, weist die Primärspulenanordnung mindestens und bevorzugt zwei Primärspulen auf, die einander gegenüberliegend bezüglich der Mittelachse der Materialprobe zueinander symmetrisch angeordnet sind. Bevorzugt ist auch die Sekundärspulenanordnung aus einer der Anzahl und bevorzugt auch Form der Primärspulenanordnung entsprechenden Anzahl von Sekundärspulen gebildet, die als massive Platte oder besser als geschlossener Metallring ausgebildet ist, dessen Form jener der zugehörigen Primärspule entspricht.

Gemäß einer weiteren, bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung liegt beiderseits der Sekundärspulenanordnung je eine Primärspulenanord­ nung; somit ist wahlweise die Aufbringung einer Druck- oder Zugbe­ lastung möglich, je nachdem, welche der Primärspulenebenen ange­ steuert wird.

Gemäß einer weiteren, bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist die Primärspulenanordnung gegenüber der Sekundärspulenanordnung um einen Drehwinkel versetzt, so daß bei der Ansteuerung der Primär­ spulenanordnung ein Torsionsimpuls auf die Sekundärspulenanordnung ausgeübt wird.

Soweit hierbei die Primärspulenanordnung in beiden Ebenen beider­ seits der Sekundärspulen gleichzeitig und in gleicher Weise ange­ steuert werden, heben sich die von diesen auf die Sekundärspulenan­ ordnung ausgeübten Axialkräfte auf, so daß alleine die Torsionsbe­ lastung verbleibt. Wird dagegen nur eine der beiden Ebenen der Pri­ märspulenanordnung angesteuert, dann wird zusätzlich zum Torsions­ impuls ein Zug- oder Druckimpuls aufgebracht.

Um einen Biegeimpuls auf die Sekundärspulenanordnung aufzubringen, reicht es aus, eine der Primärspulen in der einen Ebene und die ge­ genüberliegende Primärspule in der anderen Ebene anzusteuern. Es ist aber auch möglich und ggf. von besonderem Vorteil, zum Aufbrin­ gen einer Biegebelastung die Primärspulenanordnung mindestens in der angesteuerten Ebene mit ihrer Achse gegenüber jener von Sekun­ därspulenanordnung und Materialprobe seitlich und bevorzugt achspa­ rallel zu verschieben. Hierbei wird je nach angesteuerter Ebene zu­ sätzlich und gleichzeitig eine Zug- oder Druckbelastung aufge­ bracht.

Wird im letztgenannten Fall gleichzeitig auch die Primärspulenan­ ordnung gegenüber der Sekundärspulenanordnung um einen Winkel ver­ dreht, dann tritt zusätzlich auch noch eine Torsionsbelastung auf.

Der gegenseitige Abstand von Primär- und Sekundärspulen kann bevor­ zugt einstellbar sein, um weitere Belastungsvarianten zu ermögli­ chen.

Um Belastungsarten ganz nach Belieben aufzubringen, ist gemäß einer weiteren, bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung jede einzelne Primärspule oder jede Gruppe von Primärspulen, etwa jene einer Ebe­ ne, gesondert von den anderen ansteuerbar; es können auch mehrere Primärspulen jeweils unterschiedlich angesteuert werden.

Grundsätzlich sind viele Formen ebener Primärspulen möglich, wie kreisrunde, kreissektorförmige, quadratische, rechteckige oder dreieckige Spulen. Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfin­ dung sind die Spulen am besten trapezförmig, wobei die Basis des Trapezes radial außen liegt. Die Primärspulen sind vorzugsweise aus Flachdraht gewickelt. Solche Spulen erreichen eine besonders gün­ stige Koppelung, auch wenn Primär- und Sekundärspulen gegeneinander um einen Drehwinkel versetzt sind.

Der Koppelungsfaktor ist grundsätzlich zwar nur von der äußeren Geometrie der betreffenden Spulen abhängig, doch ist bevorzugt der erforderliche Wickelquerschnitt voll auszufüllen, was durch den Flachdraht erreicht wird.

Außerdem erbringt Flachdraht infolge des Proximitty-Effekts bei hö­ heren Frequenzen eine Erhöhung des Koppelungsfaktors.

In erster Linie aber erbringt der Flachdraht die bessere Wickelfä­ higkeit und mechanische Festigkeit.

Wenn besonders hohe Impulse aufgebracht werden sollen, dann wirken nicht nur die abstoßenden Kräfte zwischen den Primärspulen und den zugeordneten Sekundärspulen, sondern auf die Primärspulen wirken auch hohe Radialkräfte ein, die die Größenordnung einiger Tonnen erreichen können. Aus diesem Grund ist gemäß einer bevorzugten Aus­ gestaltung eine Bettung für alle Primärspulen oder jede Primärspule einzeln vorgesehen, in die die Primärspulen oder jede der Primär­ spulen so eingelassen sind bzw. ist. Diese Bettung ist so ausgebil­ det, daß sie alle bei der Erregung der Primärspulenanordnung auf­ tretenden Radialkräfte aufnehmen kann.

Diese Bettung kann als Metallbettung ausgebildet sein, vorzugsweise als ein entsprechend der Spulenkontur gefräster Stahlring, der in unmittelbarer Spulennähe zur Unterdrückung unerwünschter Wirbel­ ströme mit schmalen Schlitzen zu versehen ist.

Es ist aber auch möglich und gegebenenfalls vorteilhaft, die Bet­ tung aus mit Fasern vorzugsweise aus Kohlenstoff oder Glas ver­ stärktem Kunststoff herzustellen, wobei vorteilhafterweise die Fa­ sern unmittelbar auf die Wicklung aufgewickelt werden können. Hier­ durch wird eine besonders steife Bettung mit geringem Gewicht und geringen Abmessungen erreicht.

Soweit die Sekundärspulen aus einem offenen Flachdrahtbügel beste­ hen, der seinerseits ebenfalls durch Radialkräfte verformt werden könnte, kann ein solcher Drahtbügel ebenfalls durch faserverstärk­ ten Kunststoff versteift werden, der wegen seines geringen Gewich­ tes die Impulsaufbringung auf die Materialprobe nicht verfälscht.

Die beschriebenen Bettungen der Spulenanordnungen und diese selbst können bevorzugt so ausgebildet sein, daß sie die Ansteuerung bei der Überprüfung einer Materialprobe möglichst unbeschadet überste­ hen und somit oftmals verwendbar sind. Hierbei halten solche gepan­ zerten oder verdämmten Spulen einer Energieaufnahme von bis zu etwa 4 kJ mechanisch und thermisch stand.

Gemäß einer weiteren, bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung kann es jedoch auch vorteilhaft sein, die Spulen, insbesondere die Pri­ märspulen, als "Einwegspulen" auszubilden, die nach einmaliger Be­ nutzung gegen neue Spulen ausgetauscht werden. Mit solchen Spulen ist eine höhere Energieaufnahme möglich als mit den voranstehend beschriebenen, eingebetteten Spulen. Es muß allerdings bei der Her­ stellung der "Einwegspulen" auf eine hohe Fertigungsgenauigkeit geachtet werden, um von Versuch zu Versuch keine Abweichungen zu erzielen. Firmen, die solche Spulen in der erforderlichen Genauig­ keit herstellen, sind bekannt.

Die Spulenanordnungen, insbesondere die Primärspulen, müssen aus einem Material mit sehr hoher Leitfähigkeit bestehen, also Silber-, Kupfer- oder Aluminiumverbindungen. Außerdem muß angesichts der äußerst hohen Impulsbelastungen ein Material mit hoher Zugfestig­ keit gewählt werden.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist als Spulen­ material eine hochzugfeste Aluminiumlegierung vorgezogen, etwa eine Legierung, die im Handel unter dem Namen ZICRAL er­ hältlich ist und eine Zugfestigkeit von über 600 N/mm² aufweist.

Es ist mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung nicht nur möglich, die unterschiedlichsten Impulse gleichzeitig oder gestaffelt aufzubrin­ gen, oder die Primärspulen in gleicher Weise oder unterschiedlich anzusteuern, oder die Spulenanordnung mit einem einzigen Impuls oder einer Impulsfolge etwa mit einer bestimmten Frequenz anzusteu­ ern, sondern es können auch unterschiedliche Belastungen auf die Materialprobe aufgebracht werden, etwa eine länger dauernde Last, die von einem Impuls oder einer Impulsfolge überlagert wird. Zu diesem Zweck ist es gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfin­ dung besonders von Vorteil, daß mindestens eine der Primärspulen, bevorzugt alle, neben der für die Impulsbelastung erforderlichen Spule mindestens eine weitere Spule aufweisen. Diese weitere Spule kann so ausgebildet sein, daß sie zum Aufbringen einer Vorspannung in Zug-, Druck- Biege- oder Torsionsrichtung auf die Materialprobe geeignet ist.

Die Materialprobe kann nach dem Versuch eingehend untersucht wer­ den. Da aber auch der Ablauf des Versuches von hohem Interesse ist, ist es gemäß weiterer Ausgestaltungen der Erfindung vorteilhaft, Einrichtungen zur Überwachung des Versuchsablaufes vorzusehen.

Eine solche Einrichtung ist ein Meßfühler, der zur Aufnahme von Im­ pulsbelastungen mit mehreren Freiheitsgraden eingerichtet ist; ein solcher Meßfühler, der zur Impulsaufnahme mit sechs Freiheitsgraden eingerichtet ist, ist im Handel erhältlich. Bevorzugt ist ein sol­ cher Meßfühler in eine oder beider der Verankerungen oder Kraft­ übertragungsteile eingebaut, mittels deren die Materialprobe mit dem Rahmen bzw. der Sekundärspulenanordnung verbunden ist.

Der Rahmen, an dem das eine, von der Elektromagnetanordnung abgele­ gene Ende der Materialprobe verankert ist, ist bevorzugt etwa glockenförmig ausgebildet, also als festes, rotationssymmetrisches, zur Mittelachse der Materialprobe koaxiales Gehäuse, um somit zu verhindern, daß durch einseitige Belastung des Rahmens unerwünsch­ te, einseitige Reaktionskräfte in die Materialprobe eingebracht werden. Außerdem fängt ein solcher Rahmen Bruchstücke einer versa­ genden Materialprobe auf.

Gemäß einer weiteren, bevorzugten Ausgestaltung weist ein solcher Rahmen mindestens ein Beobachtungsfenster auf, durch welches hin­ durch eine Beobachtungskamera eine Folge von Kurzzeit-Photographien von der Materialprobe anfertigen kann.

In gleicher Weise kann auch das Ende der Materialprobe, mit welchem die Sekundärspulenanordnung kraftübertragend verbunden ist, oder das freie Ende des mit dieser Materialprobe und mit der Sekundärspu­ lenanordnung verbundenen Kraftübertragungsteils freiliegen, um des­ sen Beobachtung zu ermöglichen.

An einem handgefertigten Muster einer Spule wurde eine Fertigungs­ genauigkeit von 1,77% erreicht, die bei maschineller Fertigung noch gesteigert werden kann.

Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es somit möglich, Be­ schleunigungsgeschwindigkeiten zu erreichen, die mit allen bisher bekannten mindestens vergleichbar sind und bei geeigneter und be­ vorzugter Ausgestaltung (etwa Einwegspulen) noch darüber liegen.

Dabei ist der mechanische und elektrische Aufbau der erfindungsge­ mäßen Vorrichtung einfach.

Die Variation und Kombination der Belastungsart ist durch Anpassen des mechanischen Aufbaus und/oder durch entsprechend angepaßte elektrische Ansteuerung möglich.

Der Belastungsverlauf ist elektrisch steuerbar und ist nicht an ei­ nen vorgegebenen, mechanischen Ablauf gebunden.

Während des Belastungsverlaufes kann dieser zeitlich gesteuert be­ einflußt werden.

Lastwechsel (sog. "bursts"), deren Ablauf elektrisch steuerbar ist, können über längere Zeiträume aufgebracht werden, um die Material­ ermüdung zu untersuchen.

Statische und dynamische Belastungen können überlagert werden.

Insgesamt ist es somit mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung möglich, eine Materialprobe oder ein fertiges Bauteil allen jenen Belastungen auszusetzen, denen es im tatsächlichen Gebrauch ausge­ setzt wird. Somit ist es möglich, etwa einen Haltebolzen für ein Raketentriebwerk zu überprüfen, der im Einsatz unterschiedlichsten Belastungen, insbesondere rasch aufeinanderfolgenden Impulsbela­ stungen, ausgesetzt ist, durch exaktes Simulieren aller bei einem Einsatz auftretenden Belastungen. Es ist somit nicht nur möglich, sich von der ausreichenden Festigkeit eines fertigen Bauteils zu vergewissern, sondern es ist im Labor auch die Optimierung dieses Bauteils etwa nach dem Gewicht möglich.

Die Erfindung betrifft nicht nur die oben und nachfolgend beschrie­ bene Materialprüfvorrichtung, sondern ausdrücklich auch das durch diese Vorrichtung ausgeübte Materialprüfungsverfahren.

Voranstehend wurde der Rahmen, mit dem das eine Ende der Material­ probe kraftübertragend verbunden ist, als ortsfest bezeichnet. Er muß allerdings nur relativ zum ihm zugeordneten Ende der Material­ probe ortsfest sein und kann im übrigen gegenüber anderen Rahmen­ teilen, Abstützungen, Halterungen u. dgl. beweglich angeordnet sein. Im Grenzfall, wenn eine Materialprobe eine sehr hohe Masse aufweist, kann das mit dem Rahmen zu verbindende Ende auch uneinge­ spannt bleiben und frei liegen; hierbei ersetzt die Massenträgheit der Materialprobe die Einspannung am Rahmen bei gleicher, erfin­ dungsgemäßer Wirkung.

Der Gegenstand der Erfindung wird anhand der beigefügten, schemati­ schen Zeichnung beispielsweise noch näher erläutert. In dieser zeigt:

Fig. 1a den prinzipiellen Aufbau der erfindungsgemäßen Vorrich­ tung,

Fig. 1b die teilweise geschnittene Ansicht einer erfindungsgemäßen Primärspule, im Schrägbild,

Fig. 2a den Aufriß einer erfindungsgemäßen Vorrichtung für einen Zugversuch,

Fig. 2b den Aufriß durch die wesentlichen Teile einer erfindungs­ gemäßen Vorrichtung für den Druckversuch,

Fig. 3a ein Schaltbild eines Ausführungsbeispieles der erfindungs­ gemäßen Vorrichtung,

Fig. 3b bis 3d jeweils ein Ausführungsbeispiel unterschiedlicher Steuerschaltungen zum Ansteuern der erfindungsgemäßen Vorrichtung, und

Fig. 4 bis 11 je eine schematische Darstellung eines Ausführungs­ beispiels der der erfindungsgemäßen Vorrichtung ähnlich Fig. 1a, wobei jeweils eine unterschiedliche Anordnung der Primär- und Sekundärspulenanordnungen und somit eine unter­ schiedliche Belastungsform in der Materialprobe dargestellt ist.

Gleiche Bezugszeichen bezeichnen in den Figuren durchgehend gleiche oder ähnliche Elemente bzw. Bauteile.

Es wird nun auf Fig. 1a bezug genommen; es ist eine stabförmige Ma­ terialprobe 1 gezeigt, deren beide Enden jeweils durch ein Übertra­ gungsteil 2 verlängert ist, welches seinerseits nicht wesentlich länger und erheblich dicker ist als die Materialprobe 1 selbst.

Die Materialprobe 1 ist mit ihrer Mittelachse 9 (sh. Fig. 2a, 2b) vertikal angeordnet.

Das obere Ende des oberen Übertragungsteils 2 ist in einem ortsfe­ sten Widerlager 5 kraftübertragend verankert, das fest mit dem ortsfesten Rahmen (nicht gezeigt) der Vorrichtung verbunden ist oder einen Teil dessen bildet.

Am unteren Ende des unteren Übertragungsteils 2 ist kraftübertra­ gend eine Sekundärspulenanordnung 3 angebracht, die aus zwei ge­ schlossenen, trapezförmigen Bügeln besteht, welche in einer zur Mittelachse 9 radialen Ebene bezüglich dieser Mittelachse 9 symme­ trisch angeordnet sind, wobei die Basis eines jeden Trapezes radial außenliegt.

Die beiden einander zugewandten kurzen Seiten der Trapeze sind un­ ter Bildung einer etwa quadratischen Platte einstückig miteinander verbunden. Die Bügel weisen im übrigen eine Wandstärke auf, die be­ vorzugt wesentlich geringer ist als deren Höhe in axialer Richtung. Dieses Merkmal ist jedoch nicht unbedingt in jedem Fall erforder­ lich; die Wandstärke könnte gegebenenfalls auch nicht geringer sein als als die Höhe in axialer Richtung.

Unterhalb der Sekundärspulenanordnung ist dieser axial genau gegen­ überliegend eine in einer Radialebene liegende Primärspulenanord­ nung aus zwei Primärspulen 4 angeordnet und fest mit dem Rahmen der Vorrichtung verbunden (nicht gezeigt).

Jede der beiden Primärspulen 4 ist eine von der anderen gesonderte, trapezförmige Flachspule, deren Form mit jener der beiden bügelför­ migen Sekundärspulen 3 übereinstimmt. Diese Sekundärspulen bestehen aus einem Material hoher elektrischer Leitfähigkeit, etwa einer Aluminium-, Kupfer- oder Silberverbindung. Außerdem sind die elek­ tromagnetische Beschleunigungsfähigkeit und die mechanische Festig­ keit kritische Eigenschaften des Sekundärspulenmaterials. Die elek­ tromagnetische Beschleunigungsfähigkeit ist der Quotient aus Mate­ rialdichte/Leitfähigkeit und ist ein Maß dafür, wie gut sich ein Werkstoff elektromagnetisch beschleunigen läßt. Da bei der gezeig­ ten Vorrichtung die gesamte Sekundärspulenmasse in Bewegung ver­ setzt wird, ist diese Größe vorrangig zu berücksichtigen. Aus die­ sem Grund sind alle hochfesten Aluminiumlegierungen besonders vor­ teilhaft, da sie bei relativ geringer Dichte über die notwendige elektrische Leitfähigkeit und Festigkeit verfügen.

Anstelle der Anordnung aus jeweils zwei einander gegenüberliegenden Primärspulen 4 und Sekundärspulen 3 können auch vier Spulen einer jeden Art vorgesehen sein.

Wenn in den Primärspulen 4 ein Strom in Richtung der nicht ausge­ zogenen Pfeile strömt, dann wird hierdurch in den Sekundärspulen 3 ein Strom in Gegenrichtung induziert, der durch die ausgezogenen Pfeile bezeichnet ist. Unabhängig von der Richtung des Stromflusses tritt zwischen Primärspulenanordnung 4 und Sekundärspulenanordnung 3 eine abstoßende Kraft auf, die im gezeigten Beispiel auf die Ma­ terialprobe 1 eine Druckspannung aufbringt.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer Primärspule 4 ist in Fig. 1b gezeigt; diese Primärspule ist eine aus fünf Windungen eines Flachdrahtes gewickelte, ebene Spule mit dreieckigem oder trapez­ förmigem Umriß; die Breitseite des Flachdrahtes erstreckt sich senkrecht zur Ebene der Spule 4. Bevorzugt weist der Flachdraht die Querschnittsabmessung 7,5×1,5 mm² auf und besteht aus Kupfer, vorzugsweise aus dem Material mit dem Handelsnamen Isola-Thermex C 2,5-306.

Es sind jedoch auch andere Drahtquerschnitte möglich, etwa ein run­ der oder quadratischer.

In Fig. 2a ist eine Bauausführung einer Material-Prüfvorrichtung gezeigt. Bei dieser ist der Probestab 1 wie bei der schematischen Darstellung der Fig. 1a an seinen beiden Enden je um ein Obertra­ gungsteil 2 verlängert.

Das obere Kraftübertragungsteil 2 ist in einen glockenförmigen Rah­ men 8 eingeschraubt, der im wesentlichen rotationssymmetrisch aus­ gebildet ist und koaxial zur Mittelachse 9 der Materialprobe 1 an­ gebracht ist. Hierbei umgibt der Rahmen 8 mit einer innenliegenden Aussparung die Materialprobe 1.

An der Unterseite weist der Rahmen 8 eine sich zur Mittelachse 9 radial erstreckende Endfläche auf, an der eine Sekundärspulenanord­ nung 3 abgestützt ist.

Dieser Sekundärspulenanordnung 3 axial gegenüberliegend ist eine kongruent zu dieser geformte Primärspulenanordnung 4 angeordnet, welche sich auf einer Abstützung 6 abstützt, die wie der Rahmen 8 rotationssymmetrisch ausgebildet ist und eine in einer Radialebene liegende Endfläche aufweist, gegen die die Primärspulenanordnung 4 anliegt.

Die Primärspulenanordnung 4 und/oder Sekundärspulenanordnung 3 können auch in die jeweils zur Abstützung angeordnete Endfläche eingelassen sein, so daß sie sich infolge von Radialkräften nicht aufweiten können.

Die Abstützung 6 weist eine mittige, axiale Durchgangsbohrung auf, deren oberer Abschnitt das untere Übertragungsteil 2 gerade auf­ nimmt und deren unterer Abschnitt einen vergrößerten Durchmesser aufweist und ein Widerlager 7 aufnimmt, in welches das untere Ende des unteren Übertragungsteils 2 eingeschraubt ist.

Zur Erregung der Primärspulenanordnung 4 ist als Stromquelle für einen Stromimpuls ein Kondensator 21 vorgesehen, der sich über ei­ nen Schalter 20 und eine Zuleitung 22 zur Primärspulenanordnung 4 hin entladen kann.

Kapazitive Energiespeicher 21 sind handelsüblich und werden für Energien von wenigen Joule bis zu mehreren Megajoule hergestellt; bei der gezeigten Ausführung wird eine Auslegung von etwa 4 kJ bevorzugt.

Bei der Entladung des Kondensators 21 werden die beiden Spulenan­ ordnungen 3, 4 auseinanderbewegt, wodurch eine impulsartige Zugspan­ nung auf die Materialprobe 1 aufgebracht wird.

Im Rahmen 8 kann ein Beobachtungsfenster zur Beobachtung der Mate­ rialprobe 1 während des Versuches ausgebildet sein. Auch in der Ab­ stützung 6 kann ein Beobachtungsfenster zur Beobachtung des unteren Endes des unteren Übertragungsteils 2 ausgebildet sein.

In Fig. 2b ist eine stabförmige Materialprobe 1 gezeigt, die sich mit ihrem oberen Ende an einem Rahmenelement 5 abstützt. Das untere Ende der Materialprobe 1 sitzt auf einer zur Mittelachse 9 des Ma­ terialprobestabes 1 radialen Platte 2 auf, auf deren Unterseite sich eine Sekundärspulenanordnung 3 abstützt. Die Platte 2 bildet hier ein Kraftübertragungsteil zwischen Materialprobe 1 und Sekun­ därspulenanordnung 3.

Parallel zur Platte 2 und unterhalb dieser ist die obere Endfläche einer unteren Abstützung 6 vorgesehen, auf der eine zur Sekundär­ spulenanordnung 3 kongruente und zu dieser koaxial gegenüberliegen­ de Primärspulenanordnung 4 angeordnet ist.

Die Primärspulenanordnung 4 und die Sekundärspulenanordnung 3 kön­ nen in die jeweilige Anlagefläche der Teile 6 bzw. 2 zur Aufnahme von Radialkräften eingebettet sein.

Die Abstützung 6 ist kraftübertragend mit dem Rahmenelement 5 ver­ bunden.

Zur Erregung der Primärspulenanordnung 4 ist ein Kondensator 21, ein Schalter 20 und eine Zuleitung 22 vorgesehen, wie sie im Zusam­ menhang mit dem Ausführungsbeispiel der Fig. 2a schon erörtert wur­ den.

Wird die Primärspulenanordnung 4 erregt, dann bewegen sich diese und die Sekundärspulenanordnung 3 auseinender, wodurch die Materi­ alprobe 1 einer impulsartigen Druck- bzw. Stauchbelastung ausge­ setzt wird.

Bei beiden Ausführungsformen der Fig. 2a und 2b bildet die Abstüt­ zung 6 das ruhende Laborsystem. Außerdem kann die Verankerung des oberen Endes des Probenstabes 1 am Rahmen 8 bzw. 5 dann unterblei­ ben, wenn die Materialprobe 1 eine so hohe Masse aufweist, daß ihre Befestigung zur Durchführung einer Messung nicht erforderlich ist. Wesentlich ist aber der Umstand, daß jegliche Belastung nur in das eine Ende der Materialprobe 1 eingeleitet ist, während das andere Ende festgelegt bleibt, sei es nun durch Anbringung am Rahmen oder durch die Eigenmasse der Materialprobe.

In den Fig. 3a bis 3d ist jeweils eine Erregerschaltung für die Primärspulenanordnung gezeigt, wobei 20 einen Auslöseschalter, 21 einen Kondensator oder eine Kondensatoranordnung, 22 eine Zulei­ tung, 4 die Primärspulenanordnung, 3 die Sekundärspulenanordnung, 11 den Strom zur Primärspulenanordnung 4 und 12 den Strom in der Sekundärspulenanordnung 3 bezeichnet.

In Fig. 3a ist eine besonders einfache Einrichtung zur Erzeugung eines Impulsförmigen Stromes gezeigt. Hier wird ein Kondensator 21 aufgeladen und zum gewünschten Zeitpunkt durch einen Hochenergie­ schalter 20, der bevorzugt als Thyristor oder Ignitron ausgebildet ist, an die Primärspulenanordnung 4 angeschlossen. Der Strom fließt dann mit einem nahezu sinusförmigen gedämpften Verlauf, so daß der Kraftverlauf in der Materialprobe einen gedämpften sin²-Verlauf aufweist. Während die Impulshöhe über die Ladespannung des Konden­ sators 21 vorgegeben werden kann, kann die Impulsbreite und damit die Einwirkdauer einer Last auf die Materialprobe durch entspre­ chende Auslegung der Kapazität des Kondensators 21 bzw. über die Induktivität des Spulensystems 3, 4 gesteuert werden.

Die Impedanz der Zuleitung 22 ist in jedem der Beispiele bei der Dimensionierung der Komponenten der Erregerschaltungen zu berück­ sichtigen.

Soll der Stromimpuls eine andere Form als die genannte Sinusform aufweisen, dann können bevorzugt elektronisch steuerbare oder rech­ nergesteuerte Netzgeräte (z. B. KEPCO, ABB) Anwendung finden; solche Geräte erlauben trotz der verhältnismäßig niedrigen Ströme, die mit ihnen erzeugbar sind, die Untersuchung von entsprechend ausgelegten Materialproben mit einem Durchmesser von nicht mehr als einigen we­ nigen Millimetern, etwa von Drahtabschnitten, haben aber den Vor­ teil der nahezu beliebigen Steuerung des Impulsverlaufes, der Im­ pulsfrequenz usw.

In Fig. 3b weist die Kondensatoranordnung 21 gegenüber der Anord­ nung der Fig. 3a ein zusätzliches LC-Glied als Energiespeicher auf; aufgrund des dadurch erreichbaren Stromüberganges ergibt sich eine sanftere Belastung der Materialprobe. Zur Stromimpulsformung können auch noch weitere LC-Glieder vorgesehen sein.

Bei der Ausführungsform der Fig. 3c ist zur Stromimpulsformung eine sog. "crow-bar"-Diode vorgesehen; ein Widerstand ist eingezeichnet und soll hier die ohmschen Verluste der Zuleitung ersetzen. Durch die Parallelschaltung der Diode zum Induktorsystem wird ein sog. "einseitiger" Stromimpuls erzwungen, der bevorzugt für die Erzeu­ gung sehr kurzer Schockbelastungen geeignet ist.

Bei dem Beispiel der Fig. 3d ist zur Impulsformung von der Einbrin­ gung zusätzlicher Widerstände Gebrauch gemacht, um den Stromverlauf definiert zu dämpfen. Somit läßt sich der gesamte Bereich von der schwach gedämpften oszillierenden Schwingung bis hin zur überdämpf­ ten Schwingung abdecken. Die auf diese Weise einstellbaren Bela­ stungsfälle sind sehr vielfältig.

Weitere Varianten sind unter Verwendung bekannter, in der Lei­ stungselektronik üblicher Schaltungstechniken mit steuerbaren Bau­ elementen ohne weiteres möglich.

Die Primärspulenanordnung kann mehrere Wicklungen aufweisen, die insbesondere ähnlich Linearmotoren ineinandergewickelt sind. Somit kann ein eine mechanische Vorspannung erzeugender Strom durch die hierfür geeignete Wicklung den Primärspulenanordnung geleitet wer­ den, so daß die Materialprobe statisch vorbelastet wird; nachfol­ gend können dieser statischen Vorspannung Impulse überlagert wer­ den, indem andere Wicklungen, die für diesen Zweck eingerichtet werden etwa von einer der Erregerschaltungen der Fig. 3a bis 3d an­ gesteuert werden.

In Fig. 4 bis 11 sind unterschiedliche Belastungsfälle gezeigt, die alleine von der baulichen Anordnung der Primärspulen relativ zu den Sekundärspulen abhängen. Die wirkenden Kräfte sind durch mit F be­ zeichnete Pfeile dargestellt. Die (nicht eingezeichneten) Achsen von Primär- und Sekundärspulen 4, 3 sind stets parallel zur Mittel­ achse 9 ausgerichtet.

Fig. 4 zeigt die gleiche Anordnung wie Fig. 1a; die Primärspulen 4 sind den Sekundärspulen 3 auf der von der Materialprobe 1 abgewand­ ten Seite einander koaxial gegenüberliegend angeordnet. Bei Erre­ gung der Primärspulen 4 tritt in der Materialprobe 1 ausschließlich eine Druckbelastung auf.

Fig. 5 zeigt eine Anordnung ähnlich jener der Fig. 1a, was Anzahl und Form der Spulen 3, 4 angeht; die Primärspulen 4 sind den Sekun­ därspulen 3 auf der der Materialprobe 1 zugewandten Seite einander koaxial gegenüberliegend angeordnet. Bei Erregung der Primärspulen 4 tritt in der Materialprobe 1 ausschließlich eine Zugbelastung auf.

Fig. 6 zeigt eine Anordnung ähnlich jener der Fig. 1a, was Anzahl und Form der Spulen 3, 4 angeht; die beiden Primärspulen 4 sind je­ weils einer der Sekundärspulen 3 einander koaxial gegenüberliegend angeordnet, und zwar die eine auf der der Materialprobe 1 zugewand­ ten Seite und die andere auf der von der Materialprobe abgewandten Seite. Bei Erregung der Primärspulen 4 tritt in der Materialprobe 1 ausschließlich eine Biegebelastung auf, deren Richtung von der An­ ordnung der Primärspulen 4 abhängig ist.

Fig. 7 zeigt eine Anordnung ähnlich jener der Fig. 1a, was die Form der Spulen 3, 4 und die Anzahl der Sekundärspulen 3 angeht; es sind allerdings Primärspulen 4 einander koaxial gegenüberliegend auf beiden Seiten der Sekundärspulen 3 angeordnet, aber mit ihrer Achse gegenüber jener der Sekundärspulen 3 in Bezug auf die Mittelachse 9 um einen Winkel verdreht. Bei Erregung der Primärspulen 4 tritt in der Materialprobe 1 ausschließlich eine Torsionsbelastung auf.

Fig. 8 zeigt eine Anordnung ähnlich jener der Fig. 1a, was Anzahl und Form der Spulen 3, 4 angeht; die Primärspulen 4 sind auf der von der Materialprobe 1 abgewandten Seite der Sekundärspulen 3 an­ geordnet, gegenüber diesen aber seitlich um eine Strecke x ver­ setzt, so daß die Primärspulenanordnung nicht mehr koaxial zu der Sekundärspulenanordnung und zur Mittelachse 9 angeordnet ist. Bei Erregung der Primärspulen 4 tritt in der Materialprobe 1 eine ge­ mischte Druck- und Biegebelastung auf.

Fig. 9 zeigt eine Anordnung ähnlich jener der Fig. 1a, was Anzahl und Form der Spulen 3, 4 angeht; die Primärspulen 4 sind auf der der Materialprobe 1 zugewandten Seite der Sekundärspulen 3 angeord­ net, gegenüber diesen aber seitlich um eine Strecke x versetzt, so daß die Primärspulenanordnung nicht mehr koaxial zu der Sekundär­ spulenanordnung und zur Mittelachse 9 angeordnet ist. Bei Erregung der Primärspulen 4 tritt in der Materialprobe 1 eine gemischte Zug- und Biegebelastung auf.

Fig. 10 zeigt eine Anordnung ähnlich jener der Fig. 1a, was Anzahl und Form der Spulen 3, 4 angeht; die Primärspulen 4 sind auf der von der Materialprobe 1 abgewandten Seite der Sekundärspulen 3 an­ geordnet, gegenüber diesen aber bezüglich der Mittelachse 9 um ei­ nen Winkel verdreht, aber die Primärspulenanordnung ist koaxial zu der Sekundärspulenanordnung und zur Mittelachse 9 angeordnet. Bei Erregung der Primärspulen 4 tritt in der Materialprobe 1 eine gemischte Druck- und Torsionsbelastung auf.

Fig. 11 zeigt eine Anordnung ähnlich jener der Fig. 1a, was Anzahl und Form der Spulen 3, 4 angeht; die Primärspulen 4 sind auf der der Materialprobe 1 zugewandten Seite der Sekundärspulen 3 angeord­ net, gegenüber diesen aber bezüglich der Mittelachse 9 um einen Winkel verdreht, aber die Primärspulenanordnung ist koaxial zu der Sekundärspulenanordnung und zur Mittelachse 9 angeordnet. Bei Erregung der Primärspulen 4 tritt in der Materialprobe 1 eine gemischte Zug- und Torsionsbelastung auf.

Wenn bei den Ausführungen der Fig. 10 und 11 die Primärspulen 4 ge­ genüber den Sekundärspulen 3 seitlich versetzt werden, ähnlich der Anordnung der Fig. 8 und 9, dann wird zusätzlich zu der Torsionsbe­ lastung und der Druck- oder Zugbelastung auch noch eine Biegebela­ stung aufgebracht.

Es kann somit praktisch jede gewünschte Belastungssituation in der Materialprobe 1 hergestellt werden.

Claims (14)

1. Vorrichtung zur elektrodynamischen Prüfung einer Materialprobe, mit einer Elektromagnetanordnung, mit der das eine Ende der Materi­ alprobe kraftübertragend verbindbar ist und die ihrerseits an einem Rahmen verankert ist, dadurch gekennzeichnet

• - daß das andere Ende der Materialprobe (1) kraftübertragend und bevorzugt formschlüssig mit dem Rahmen (5; 12) verbindbar ist, und
• - daß die Elektromagnetanordnung (3, 4) wahlweise zur gesonderten oder bevorzugt gleichzeitigen Aufbringung mindestens eines von Zug- , Druck- , Torsions- und/oder Biegeimpuls eingerichtet ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Elektromagnetanordnung eine Primärspulenanordnung aufweist, sowie dieser gegenüberliegend eine Sekundärspulenanordnung, die in einer Radialebene bezüglich einer die beiden Enden der Materialprobe verbindenden Mittelachse angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Primärspulenanordnung mindestens eine oder mehrere und bevorzugt zwei bezüglich der Mittelachse (9) symmetrisch angeordnete, in mindestens einer zur Radialebene der Sekundärspulenanordnung benachbarten Radialebene liegende Primä­ rspule(n) (4) aufweist, die in ihrer Lage bezüglich der Sekundär­ spulenanordnung festliegt bzw. festliegen oder feststellbar ist bzw. sind, und daß bevorzugt die Sekundärspulenanordnung der bzw. den Primärspule(n) (4) gegenüberliegend eine oder mehrere und be­ vorzugt zwei vorzugsweise der Form der Primärspule(n) (4) entspre­ chende Sekundärspule(n) (3) aufweist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Primärspulen (4) in zwei Radialebenen zur Mittelachse (9) liegen, die beiderseits der Sekundärspulenanordnung (3) angeordnet sind.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Primärspulenanordnung (4) gegenüber der Sekundär­ spulenanordnung (3) bezüglich der Mittelachse (9) um einen Dreh­ winkel (α) versetzbar und/oder mit ihrer Achse gegenüber der Mit­ telachse (9) um einen Abstand (x) versetzbar und/oder in ihrem ge­ genseitigen Abstand einstellbar angeordnet ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die einzelnen Primärspulen (4) getrennt oder gruppen­ weise getrennt ansteuerbar sind.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Primärspulen (4) als ebene, bevorzugt trapezför­ mige (Fig. 1b) Flachspulen aus Flachdraht ausgebildet sind.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Primärspulen (4) in eine Radialkräfte aufnehmende Bettung eingelassen sind, die bevorzugt als geschlitzte Metallbet­ tung oder als faserverstärkte Kunststoffbettung ausgebildet ist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Primärspulen (4) nur für die einmalige Benutzung eingerichtet sind.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Primärspulen (4) aus einer hochzugfesten Alumini­ umlegierung gebildet sind.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 9, mit einer an die Primärspulenanordnung anschließbaren Erregerschaltung, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine der Primärspulen (4) neben ihrer Windungsanordnung mindestens eine zweite Windungsanord­ nung aufweist, die unabhängig von der ersten durch die Erreger­ schaltung ansteuerbar ist.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, gekennzeichnet durch einen zur Aufnahme von Impulsbelastungen mit mehreren, vor­ zugsweise sechs Freiheitsgraden eingerichteten Meßfühler.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Rahmen (8) das mit ihm verbundene Ende der Mate­ rialprobe (1) glockenartig umgibt und ein Beobachtungsfenster auf­ weist.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das mit der Sekundärspulenanordnung (3) verbundene Ende der Materialprobe (1) oder das mit diesem und der Sekundärspu­ lenanordnung (3) verbundene Kraftübertragungsteil (2) zur Beobach­ tung frei liegt.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Sekundärspulenanordnung (3) fremderregt ist.