Ermüdungsprüfung

Die Dauerfestigkeitsprüfung ist eine spezielle Form der mechanischen Prüfung , bei der ein Prüfkörper oder eine Struktur zyklischer Belastung ausgesetzt wird . Diese Prüfungen dienen dazu, Daten zur Dauerfestigkeit und zum Risswachstum zu ermitteln, kritische Stellen zu identifizieren oder die Sicherheit einer möglicherweise ermüdungsanfälligen Struktur nachzuweisen. Dauerfestigkeitsprüfungen werden an einer Vielzahl von Bauteilen durchgeführt, von Prüfkörpern bis hin zu realen Prüflingen wie Automobilen und Flugzeugen .

Ermüdungsversuche an Proben werden typischerweise mit servohydraulischen Prüfmaschinen durchgeführt, die große, variable zyklische Belastungen aufbringen können . ^{[ 2 ]} Alternativ können auch Versuche mit konstanter Amplitude mit einfacheren oszillierenden Maschinen durchgeführt werden. Die Ermüdungslebensdauer einer Probe entspricht der Anzahl der Lastwechsel bis zum Bruch. Diese Daten können zur Erstellung von Spannungs-Lebensdauer- oder Dehnungs-Lebensdauer-Kurven verwendet werden. Die Rissausbreitungsgeschwindigkeit in einer Probe kann entweder während des Versuchs oder im Anschluss mittels Fraktographie gemessen werden. Die Prüfung von Proben kann auch in Klimakammern durchgeführt werden, in denen Temperatur, Luftfeuchtigkeit und Umgebungsbedingungen, die die Rissausbreitungsgeschwindigkeit beeinflussen können, kontrolliert werden können.

Aufgrund der Größe und der besonderen Form der Prüflinge werden spezielle Prüfstände konstruiert, um Lasten mittels hydraulischer oder elektrischer Aktuatoren aufzubringen . Diese Aktuatoren simulieren die auf eine Struktur wirkenden signifikanten Belastungen, die bei Flugzeugen beispielsweise aus Manöver-, Böen-, Buffet- und Boden-Luft-Boden-Belastungen (GAG-Belastungen) bestehen können. Eine repräsentative Lastprobe oder ein Lastblock wird wiederholt aufgebracht, bis die sichere Lebensdauer der Struktur nachgewiesen ist oder Schäden auftreten, die repariert werden müssen. Instrumente wie Kraftmessdosen , Dehnungsmessstreifen und Wegaufnehmer werden an der Struktur installiert, um die korrekte Belastung sicherzustellen. Regelmäßige Inspektionen der Struktur an kritischen Spannungskonzentrationen wie Bohrungen und Verbindungsstellen dienen dazu, den Zeitpunkt des Auftretens von Rissen zu bestimmen und sicherzustellen, dass eventuell auftretende Risse keine anderen Bereiche des Prüflings beeinträchtigen. Da nicht alle Lasten aufgebracht werden können, werden unausgeglichene Strukturlasten typischerweise über nicht kritische Strukturteile wie das Fahrwerk auf den Prüfstand abgeleitet.

Die Lufttüchtigkeitsnormen schreiben im Allgemeinen für große Flugzeuge vor der Zertifizierung einen Ermüdungstest vor, um deren sichere Lebensdauer zu ermitteln . ^{[ 3 ]} Kleine Flugzeuge können ihre Sicherheit durch Berechnungen nachweisen, wobei aufgrund der zusätzlichen Unsicherheit typischerweise größere Streuungs- oder Sicherheitsfaktoren verwendet werden.

Ermüdungsversuche dienen der Gewinnung von Materialdaten, wie beispielsweise der Risswachstumsrate, die mithilfe von Risswachstumsgleichungen zur Vorhersage der Ermüdungslebensdauer verwendet werden kann. Üblicherweise wird bei diesen Versuchen die Risswachstumsrate pro Lastwechsel in Abhängigkeit vom Spannungsintensitätsfaktor bestimmt. Der minimale Spannungsintensitätsfaktor entspricht der minimalen Last für und wird für als null angenommen . bezeichnet das Spannungsverhältnis . Standardisierte Prüfverfahren wurden entwickelt, um die Wiederholbarkeit zu gewährleisten und die Bestimmung des Spannungsintensitätsfaktors zu vereinfachen. Es können jedoch auch andere Probenformen verwendet werden, sofern die Probe groß genug ist, um überwiegend elastisch zu sein. ^{[ 4 ]} In Fällen, in denen die Rissinitiierung von oberflächennahen Einschlüssen dominiert, kann die Extremwerttheorie zur Bestimmung des Einflusses der Probengröße herangezogen werden. ^{[ 5 ]}${\displaystyle da/dN}$${\displaystyle \Delta K=K_{\max }-K_{\min }}$${\displaystyle K_{\min }}$${\displaystyle R>0}$${\displaystyle R\leq 0}$${\displaystyle R}$${\displaystyle R=K_{\min }/K_{\max }}$

Es können verschiedene Gutscheine verwendet werden, einige der gängigsten sind jedoch:

• Kompakte Zugprobe (CT). Die kompakte Probe benötigt die geringste Materialmenge für eine Probe zur Messung des Risswachstums. ^{[ 4 ]} Typischerweise werden bei kompakten Zugproben Stifte verwendet, die etwas kleiner als die Löcher in der Probe sind, um die Lasten aufzubringen. Diese Methode verhindert jedoch die genaue Aufbringung von Lasten nahe Null, weshalb die kompakte Probe nicht empfohlen wird, wenn negative Lasten aufgebracht werden müssen. ^{[ 4 ]}
• Zugplatte mit mittigem Riss (CCT). Die Zugprobe mit mittigem Riss oder Mittelzugprobe besteht aus einem flachen Blech oder Stab mit zwei Löchern zur Befestigung an den Klemmen.
• Single Edge Notch Tension Coupon (SENT). ^{[ 6 ]} Der Single Edge Coupon ist eine längliche Version des Compact Tension Coupon.

Folgende Instrumente werden üblicherweise zur Überwachung von Coupon-Tests verwendet:

• Dehnungsmessstreifen werden verwendet, um die aufgebrachte Belastung oder die Spannungsfelder um die Rissspitze herum zu überwachen. Sie können unterhalb des Rissverlaufs oder auf der Rückseite eines kompakten Zugprüfkörpers angebracht werden. ^{[ 7 ]}
• Mit einem Extensometer oder Wegaufnehmer lässt sich die Öffnungsverschiebung der Rissspitze am Rissmund messen . Dieser Wert dient zur Bestimmung des Spannungsintensitätsfaktors, der sich mit der Risslänge ändert. Wegaufnehmer können außerdem verwendet werden, um die Nachgiebigkeit eines Prüfkörpers und die Position während des Belastungszyklus beim Kontakt der gegenüberliegenden Rissflächen zu messen und so den Rissverschluss zu bestimmen .
• Die aufgebrachten Prüflasten werden üblicherweise an der Prüfmaschine mit einer Kraftmessdose überwacht.
• Zur Messung der Position der Rissspitze kann ein mobiles optisches Mikroskop verwendet werden.

Vollständige Tests können verwendet werden, um:

1. Den vorgeschlagenen Wartungsplan für das Flugzeug prüfen.
2. Weisen Sie die Sicherheit einer Struktur nach, die möglicherweise anfällig für großflächige Ermüdungsschäden ist.
3. Ermüdungsdaten generieren
4. Erwartungen hinsichtlich Rissinitiierung und Risswachstumsmuster überprüfen.
5. Identifizieren Sie kritische Standorte
6. Validierung der für die Konstruktion und Fertigung des Flugzeugs verwendeten Software.

Mithilfe von Ermüdungstests lässt sich auch feststellen, inwieweit weitverbreitete Ermüdungsschäden ein Problem darstellen.

Für die Zertifizierung ist die Kenntnis und Berücksichtigung der gesamten Belastungsgeschichte eines Prüflings erforderlich. Die Verwendung von Prüflingen, die zuvor für statische Belastungsprüfungen eingesetzt wurden, hat bei Überlastungen zu Problemen geführt , da diese das Wachstum von Ermüdungsrissen verlangsamen können.

Die Testlasten werden typischerweise mit Hilfe eines Datenerfassungssystems aufgezeichnet , das Daten von möglicherweise Tausenden von Eingängen der am Testobjekt installierten Instrumente erfasst, darunter: Dehnungsmessstreifen, Druckmessgeräte, Kraftmessdosen, LVDTs usw.

Ermüdungsrisse entstehen typischerweise in Bereichen hoher Spannung, wie z. B. Spannungskonzentrationen oder Material- und Herstellungsfehlern. Es ist wichtig, dass das Prüfobjekt all diese Merkmale repräsentiert.

Risse können von folgenden Ursachen ausgehen:

• Reibkorrosion , typischerweise verursacht durch dynamische Belastungen mit hoher Zyklenzahl.
• Falsch gebohrte oder falsch dimensionierte Löcher für Presspassungsbefestigungen . ^{[ 8 ]}
• Materialbehandlung und Defekte wie z. B. gebrochene Einschlüsse . ^{[ 9 ]}
• Spannungskonzentrationen wie Löcher und Abrundungen.
• Kratzer, Aufprallschäden.

Ein repräsentativer Lastblock wird wiederholt aufgebracht, bis die sichere Lebensdauer der Struktur nachgewiesen ist oder Schäden auftreten, die repariert werden müssen. Die Größe der Lastsequenz wird so gewählt, dass die maximalen Lasten, die Verzögerungseffekte verursachen können, ausreichend oft, typischerweise mindestens zehnmal während des gesamten Versuchs, aufgebracht werden, sodass keine Sequenzeffekte auftreten. ^{[ 10 ]}

Die Belastungssequenz wird im Allgemeinen gefiltert, um die Anwendung kleiner, nicht ermüdungsschädigender Zyklen zu vermeiden, deren Anwendung zu lange dauern würde. Typischerweise werden zwei Arten der Filterung verwendet:

1. Die Totzonenfilterung eliminiert kleine Zyklen, die vollständig in einen bestimmten Bereich wie z. B. +/-3g fallen.
2. Die Rise-Fall -Filterung eliminiert kleine Zyklen, die unterhalb eines bestimmten Bereichs liegen, wie z. B. 1 g.

Die Prüffrequenz großer Strukturen ist typischerweise auf wenige Hertz begrenzt und muss die Resonanzfrequenz der Struktur vermeiden. ^{[ 11 ]}

Alle Komponenten, die nicht Teil des Prüflings oder der Messtechnik sind, werden als Prüfstand bezeichnet . Folgende Komponenten sind typischerweise in Dauerfestigkeitsprüfungen im Originalmaßstab zu finden :

• Whiffletrees . Um die korrekten Lasten auf verschiedene Teile der Struktur aufzubringen, wird ein Mechanismus namens Whiffletree verwendet, der die Lasten von einem Lastaktuator auf das Prüfobjekt verteilt . Die auf einen zentralen Punkt wirkenden Lasten werden über eine Reihe von gelenkig verbundenen Trägern verteilt, um an den Endverbindungen definierte Lasten zu erzeugen. Jede Endverbindung ist typischerweise mit einem Pad verbunden, das auf die Struktur, beispielsweise einen Flugzeugflügel, geklebt wird. Üblicherweise werden Hunderte von Pads verwendet, um die auf einen Flügel wirkenden aerodynamischen und Trägheitslasten zu simulieren. Da der Whiffletree aus Zugverbindungen besteht, kann er keine Drucklasten aufbringen. Daher werden bei Flügelermüdungsversuchen typischerweise unabhängige Whiffletrees auf der Ober- und Unterseite eingesetzt.
• Hydraulische, elektromagnetische oder pneumatische Aktuatoren werden eingesetzt, um Lasten auf die Struktur aufzubringen, entweder direkt oder über einen Lastverteilungsmechanismus. Eine Kraftmessdose ist in die Aktuatorleitung integriert und dient der Laststeuerung zur Regelung der auf den Aktuator wirkenden Lasten. Werden mehrere Aktuatoren an einer flexiblen Teststruktur verwendet, kann es zu Wechselwirkungen zwischen den einzelnen Aktuatoren kommen. Die Laststeuerung muss sicherstellen, dass durch diese Wechselwirkungen keine unerwünschten Lastzyklen auf die Struktur einwirken.
• Reaktionskräfte. Viele Lasten, wie beispielsweise aerodynamische und innere Kräfte, werden durch innere Kräfte aufgenommen, die bei einem Ermüdungsversuch nicht auftreten. Daher werden die Lasten an nicht kritischen Punkten der Struktur, wie dem Fahrwerk oder durch Lagerungen am Rumpf, abgeleitet .
• Mithilfe eines linearen Wegaufnehmers lässt sich die Verschiebung kritischer Stellen an der Struktur messen. Grenzwerte dieser Verschiebungen können genutzt werden, um ein Versagen der Struktur zu signalisieren und den Test automatisch zu beenden.
• Nicht repräsentative Teststruktur. Einige Teststrukturen sind möglicherweise teuer oder nicht verfügbar und werden daher üblicherweise durch eine gleichwertige Struktur ersetzt. Strukturen in der Nähe von Aktuatorbefestigungspunkten können unrealistischen Belastungen ausgesetzt sein, wodurch diese Bereiche nicht repräsentativ werden.

Folgende Instrumente werden typischerweise bei einem Ermüdungstest verwendet:

• Dehnungsmessstreifen
• Beschleunigungsmesser
• Wegmesser
• Lastzellen
• Risssensor
• Sensoren zur Strukturüberwachung

Es ist wichtig, alle Dehnungsmessstreifen am Prüfling anzubringen, die auch zur Überwachung von Flottenflugzeugen verwendet werden. Dadurch können am Prüfling dieselben Schadensberechnungen durchgeführt werden, die auch zur Ermittlung der Ermüdungslebensdauer von Flottenflugzeugen dienen. Dies ist die wichtigste Methode, um sicherzustellen, dass Flottenflugzeuge die im Ermüdungstest ermittelte sichere Lebensdauer nicht überschreiten.

Inspektionen sind Bestandteil von Dauerfestigkeitsprüfungen. Es ist wichtig, das Auftreten von Rissen frühzeitig zu erkennen, um die zertifizierte Lebensdauer jedes Bauteils zu bestimmen, Schäden an der umliegenden Struktur zu minimieren und Reparaturen zu entwickeln, die die Zertifizierung der angrenzenden Struktur nur geringfügig beeinträchtigen. Zerstörungsfreie Prüfungen können während der Prüfung durchgeführt werden, während zerstörende Prüfungen am Ende der Prüfung eingesetzt werden können, um sicherzustellen, dass die Tragfähigkeit der Struktur erhalten bleibt.

Die Auswertung von Prüfverfahren und die Zertifizierung umfassen die Verwendung der Ergebnisse von Dauerfestigkeitsprüfungen, um die sichere Lebensdauer und den sicheren Betrieb eines Bauteils zu belegen. ^{[ 12 ]} Ziel der Zertifizierung ist es, sicherzustellen, dass die Ausfallwahrscheinlichkeit im Betrieb akzeptabel gering ist. Folgende Faktoren sind gegebenenfalls zu berücksichtigen:

• Anzahl der Tests
• Symmetrie der Teststruktur und der aufgebrachten Belastung
• Installation und Zertifizierung von Reparaturen
• Streufaktoren
• Material- und Fertigungsprozessvariabilität
• Umfeld
• Kritikalität

Die Lufttüchtigkeitsstandards verlangen in der Regel, dass ein Flugzeug auch dann noch sicher ist, wenn die Struktur aufgrund von Ermüdungsrissen beeinträchtigt ist. ^{[ 13 ]}

• Kältebelastungstests der F-111 . Bei diesen Tests wurden statische Grenzlasten auf Flugzeuge angewendet, die zuvor abgekühlt worden waren, um die kritische Bruchgröße zu reduzieren. Das Bestehen des Tests bedeutete, dass keine größeren Ermüdungsrisse vorhanden waren. Waren Risse vorhanden, versagten die Tragflächen katastrophal. ^{[ 9 ]}
• Das International Follow-On Structural Fatigue Test Program (IFOSTP) war ein Gemeinschaftsprojekt von Australien, Kanada und den USA zur Ermüdungsprüfung der F/A-18 Hornet . Der australische Test umfasste den Einsatz von elektrodynamischen Schwingungsdämpfern und pneumatischen Airbags, um die Belastungen durch hohe Anstellwinkel am Leitwerk zu simulieren . ^{[ 14 ] [ 15 ]}
• Die de Havilland Comet erlitt eine Reihe katastrophaler Ausfälle , die sich trotz durchgeführter Ermüdungstests letztendlich als Materialermüdung herausstellten.
• Zur Bestimmung der Streuung der Ermüdungslebensdauer wurden Ermüdungsversuche an 110 Mustang -Flügelsätzen durchgeführt. ^{[ 11 ]}
• Der Roman „No Highway“ und der Film „ No Highway in the Sky“ handelten von einem fiktiven Ermüdungstest des Rumpfes eines Passagierflugzeugs.
• Mithilfe von Ermüdungsversuchen konnten auch Ermüdungsrisse erzeugt werden, die zu klein sind, um entdeckt zu werden. ^{[ 16 ]}

• Überlebensanalyse
• Weitverbreitete Materialermüdungsschäden bei Militärflugzeugen (PDF) . Abgerufen am 26. Juni 2019 .
• Boyer, HE „Fatigue Testing“ . Archiviert vom Original am 26. Juni 2019. Abgerufen am 26. Juni 2019 .

„Boeing 787 führt Ermüdungstests durch“ . YouTube . 12. Mai 2011. Abgerufen am 18. Juli 2019 .