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EFB-Forschungsbericht Nr. 289

Zerstörungsfreie Qualitätsprüfung von Schließringbolzen- und Blindnietverbindungen mit Aktor-Sensor-Systemen

EFB289.jpg

Verfasser:
Prof. Dr.-Ing. Martin-Christoph Wanner, Dr.-Ing. Knuth-Michael Henkel, Dipl.-Wirt.Ing. Marcus Delin, Dipl.-Wirt.Ing. Normen Fuchs, Lehrstuhl Fertigungstechnik Universität Rostock

118 Seiten (sw 80 Abb., 9 Tab.)

ISBN: 978-3-86776-323-3

Preis (Digital) EUR 52,00

Preis (Print) EUR 59,00

Zusammenfassung

Ziel des vorliegenden Forschungsprojektes war die Entwicklung einer Methode zur zerstörungsfreien Bauteilprüfung ausgewählter mechanisch gefügter Schließringbolzen- und Blindnietverbindungen bei spezifischen Scher- und Vorspannungszuständen. Hierbei wurde auf ein Messprinzip zur vibroakustischen Prüfung von Bauteilen zurückgegriffen. Die Auswertung der Messwerte erfolgt in Anlehnung an die Modalanalyse im Frequenzspektrum. Für beide Beanspruchungsarten (Vorspannung / Scherzug) ergab sich ein proportionaler Zusammenhang zwischen einer Änderung der Beanspruchung und einer Änderung der Resonanzfrequenz.

Als erste Messvariante wurde im Projekt ein Messsystem mit einer kontinuierlichen Anregung der gesamten Struktur eingesetzt. Dieses regt die Biegewellen einer Struktur an. Hiermit ist eine Bestimmung der wirkenden Scherzugbeanspruchung unter Berücksichtigung der ermittelten Einflussparameter möglich. Mit diesem Messsystem war zusätzlich die Ermittlung verschiedener Vorspannungszustände an Mehrelement- bzw. Bauteilproben (Bewertung: i.O. / n.i.O.) möglich. Die Einflussparameter für diese Variante wurden ermittelt. Ein Einsatz bei der Prüfung von Serienbauteilen ist hier vorstellbar.

Als zweite Messvariante zur Bestimmung der Vorspann- und Scherkräfte wurde ein Messsysteme mit impulsförmiger Anregung verwendet. Als Messsysteme kamen ein kombiniertes Piezo-Aktor-Sensor-System sowie ein Messsystem auf Ultraschallbasis zur Anwendung. Beide Systeme regen Longitudinalwellen an. Die Bestimmung von Vorspannungszuständen an Fügeelementen mit geringem Durchmesser (< 12 mm) und kleiner Klemmlänge (< 15 mm) waren mit einer Kopfzugvorrichtung möglich, zum Teil traten jedoch größere Streuungen auf. Versuche an Fügeelementen mit großen Durchmessern (> 12 mm), z.B. einer M36-Schrauben, unter Einsatzbedingungen, konnten erfolgreich durchgeführt werden. Für beide Messsysteme konnte der Nachweis der grundsätzlichen Eignung des Messprinzips zur Bestimmung der Vorspannung und des Scherzugs erbracht werden.

Für beide Prinzipien wurden die theoretischen Grundlagen erarbeitet und in Softwaretools zur Steuerung der Messsysteme und Auswertung der Messergebnisse umgesetzt. Aus den Ergebnissen beider Untersuchungskomplexe ergibt sich ein Anforderungsprofil für die Anpassung der bestehenden Messtechnik an die gewünschten Prüfaufgaben. Die entwickelten Steuerungs- und Auswertungsprogramme stellen die Grundlage für den industriellen Einsatz dar.

Das Forschungsvorhaben „Zerstörungsfreie Qualitätsprüfung von Schließringbolzen- und Blindnietverbindungen mit Aktor-Sensor-Systemen“ wurde unter der Fördernummer AiF 14917 BR von der EFB e.V. finanziert und betreut und über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen (AIF e.V.) mit Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Technologie (BMWI) gefördert. Der Abschlussbericht ist als EFB-Forschungsbericht Nr. 289 erschienen und ist bei der EFB-Geschäftsstelle und im Buchhandel erhältlich.

Inhalt

Abbildungsverzeichnis
Tabellenverzeichnis
Anhangverzeichnis
Abkürzungsverzeichnis
Formelzeichen
1 Einleitung
1.1 Problemstellung
1.2 Zielstellung
1.3 Aufbau des Abschlussberichts
2 Stand der Technik – Zerstörungsfreie Prüfung mechanischer Fügeverbindungen
2.1 Untersuchte Fügeelemente
2.2 Spannungsoptik
2.3 Dehnmessstreifen
2.4 Optisch / Taktile Lehren
2.5 Ultraschalllängenmessung
2.6 Vibroakustische Körperschallprüfung
2.7 Aufgabenstellung
3 Theoretische Grundlagen – Akustische Signalanalyse
3.1 Geeignete (Schall-) Wellenarten zur Bestimmung von Zugbeanspruchungen und Klemmkräften
3.1.1 Quasi-Longitudinalwellen (Dehnwellen)
3.1.2 Biegewellen
3.2 Berechnung des Schwingungsverhaltens
3.2.1 Berechnung der Longitudinalschwingungen an einem Zylinder im unbelasteten und belasteten Zustand
3.2.2 Berechnung der Biegeeigenschwingungen bei Scherzugbeanspruchung einer Verbindungsprobe
3.3 Verfahren zur akustischen Anregung
3.3.1 Impulsanregung
3.3.2 Kontinuierliche Anregung
3.3.3 Vergleich der Anregungsmethoden
3.4 Auswertung von Messergebnissen
3.4.1 Auswertung impulsförmiger Signale
3.4.2 Auswertung kontinuierlicher Signale
4 Versuchsaufbau
4.1 Technische Merkmale verwendeter Meßsysteme
4.1.1 Piezo-Aktor-Sensor (PAS)
4.1.2 Ultraschallaktor und Körperschallsensor
4.1.3 Kontinuierliche Anregung
4.1.4 Zusammenfassung der Haupteinsatzgebiete der Messsysteme
4.2 Gegenstand der Untersuchung (Material und Fügeelemente)
4.3 Verfahren zur Simulation verschiedener Vorspannungsniveaus
4.3.1 Simulation durch Variation des Anzugdrehmomentes
4.3.2 Simulation durch Variation des Sollbruchstellendurchmessers (SRB)
4.3.3 Simulation durch Kopfzugvorrichtung
5 Abhängigkeit Systemantwort / Zugbeanspruchung
5.1 Versuche an Grundmaterialproben
5.1.1 Einfluss der Antastposition (PAS)
5.1.2 Reproduzierbarkeit der Messergebnisse
5.1.3 Bewertung der Grundmaterialversuche
5.2 Versuche an Ein-Element-Verbindungsproben
5.2.1 Verbindungsprüfung bei Scherzugbeanspruchung mit Messsystem zur impulsförmige Anregung (PAS)
5.2.2 Verbindungsprüfung bei Scherzugbeanspruchung mit Messsystem zur kontinuierlichen Anregung
5.3 Versuche an Mehr-Element-Proben
5.3.1 Ein-Element-Proben
5.3.2 Mehrelement-Proben
5.4 Zusammenfassung Abhängigkeit Systemantwort / Zugbeanspruchung
6 Abhängigkeit Systemantwort / Vorspannung
6.1 Impulsanregung mit PAS
6.2 Ultraschallanregung
6.3 Kontinuierliche Anregung
6.3.1 Ein-Element-Probe
6.3.2 Mehrelementproben
6.3.3 Bauteilversuche
7 Zusammenfassung und Ausblick
Literaturverzeichnis
Anhang