Vergleich Dehnungsmessstreifen / Vic-3D

Bei dieser Untersuchung ging es um einen Vergleich einer Vic-3D Dehnungsmessung mit den Ergebnissen von Dehnungsmessstreifen. Die ausgewählte Acryl-Probe befestigte man dafür in einer Zugprüfmaschine. An der Probenrückseite wurden die Dehnungsmessstreifen angebracht und mit dem SCAD 500 DMS-Messverstäker verbunden. Die Vorderseite sollte für die Bildkorrelationsmessung verwendet und mit dem benötigten Specklemuster präpariert werden. Zum Einsatz kamen 5Mpx CMOS Kameras mit einem Pregius Sensor und einer Bildrate von 75fps. Weil der Ausgang des SCAD 500 mit der DAQ Box des DIC Systems verbunden wurde, konnten die Ergebnisse der Dehnungsmessung parallel aufgezeichnet und in einem Diagramm dargestellt werden.

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Abbildung 1: Vic-3D Messung der Acryl- Probe

 

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Abbildung 2: Messergebnisse – Vergleich der Dehnungsmessstreifen (rote Kurve) und Vic-3D  (schwarze Kurve) [Dehnung ε in Microstrain]

 

Die Vic-3D Daten entsprechen nahezu perfekt den Ergebnissen der Dehnungsmessung. Auch bei niedrigen Belastungen ist die Differenz weniger als 25 Microstrain.

Dehnungsmessung – 2D Ermüdungstest

 

In diesem Beitrag werden die Ergebnisse eines 2D Ermüdungstests an einer dicken Stahlplatte mit Kerbe gezeigt. Unter Verwendung einer 2,3 MP Kamera in Kombination mit Vic-2D kann eine hohe Dehnungsauflösung von ungefähr 5 – 10 Microstrain erreicht werden.

 

Im Video werden die Ergebnisse des Ermüdungstests dargestellt.

 

 

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Die Probe wurde einer wechselnden Biegebelastung über die Zeit ausgesetzt, was die grafische Darstellung veranschaulicht.

Dehnungsmessung eines Zahnrades

Herausforderung

Die verbauten Komponenten (im oberen Kurzfilm dargestellt) haben typischer Weise komplexe Wechselwirkungen untereinander. Aufgrund der Bewegung der Teile können die Kontaktstellen während eines Betriebszyklusses variieren. Dies bedeutet, dass es schwierig ist, die Position der oftmals nicht stationären Dehnungspeaks vorherzusagen. Die Bewegung der Bauteile führt teilweise zu einer Beschädigung der elektrischen Verbindung der Dehnungsmessstreifen. Selbst wenn die Positionen stationär und leicht zu lokalisieren sind, können sich die höchsten Dehnungen auf sehr kleine Bereiche konzentrieren oder hohe Gradienten besitzen. Spitzenwerte gehen aufgrund des Mittelungseffektes der Dehnungsmessstreifen gegebenenfalls verloren.

Ergebnis

Vic-3D ermöglicht eine Dehnungsmessung über das gesamte Profil des Getriebezahnes. Weil das Programm eine Vollfeldmessung anbietet, war es nicht notwendig sich auf einen bestimmten Punkt zu beschränken. Deshalb konnten die Dehnungspeaks eindeutig visualisiert werden und exakt in verschiedenen Phasen des Betriebszyklus gemessen werden. Weiterhin misst Vic-3D Verschiebungen in drei Dimensionen. Diese Funktion erlaubt unseren Kunden Verdrehungen der Getriebezähne unter Belastung zu erkennen und zu quantifizieren.

 

Dehnungsmessung mit Stereomikrokop

Kombination eines speziellen Stereomikroskops mit der digitalen Vic-3D Bildkorrelation zur Untersuchung von elektronischen Komponenten.

Uni Wien Mikroskop

Bild 1 – Messaufbau

Das Stereomikroskop wurde auf einem x-y-z Mikrotisch montiert (siehe hinterer Teil im Bild 1). Die Probe befindet sich in einer Zugmaschine (rechts im Bild 1 zu sehen).

 

Durchgetrennter Keramik-Kondensatorchip unter Biegebelastung (Bildbreite ca. 4mm):

Uni Wien Mikroskop2

Bild 2 – Dehnung in x-Richtung

Uni Wien Mikroskop3

Bild 3 – Dehnung in y-Richtung

Uni Wien Mikroskop4

Bild 4 – Standardabweichung unter Belastung

Uni Wien Mikroskop5

Bild 5 – 3D Kontur

Die Standardabweichung unter Belastung (Bild 4) weist im mittleren Bereich einen erhöhten Wert im Vergleich zum Referenzzustand auf, verursacht durch eine kleine, lokale Ausbuchtung zwischen dem Chip und dem Board (siehe 3D Kontur unten). Der Grund hierfür kann Material sein, das zwischen den beiden Teilen zusammengepresst wird (eingeschlossen der Farbschicht). Der erhöhte Wert im oberen Bereich der Standardabweichung wird durch eine geringe Speckledichte hervorgerufen.

Vic-3D High-Speed Vibrations Analyse System

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Das Vic-3D™  High-Speed Vibrations Analyse System von Correlated Solutions ist eine neue Ergänzung zur bestehenden Vic-3D Produktlinie. Vic-3D Vibration ermöglicht eine vollflächige 3D-Anzeige, sowie die Messung und Analyse von transienten Events. Eine Vollfeld-Betriebsschwingungsanalyse kann im Frequenzspektrum einfach beobachtet werden und erreicht Genauigkeiten bis in den Nanometerbereich.

Bei dem Bild oben links handelt es ich um Modell-Flugzeug, das einem transienten Vibrationsereignis ausgesetzt wurde. Die gemessenen 3D-Schwingungsdaten werden im rechten Bild als 2D -Kontur-Überlagerung dargestellt. Die Daten-Überlagerung ermöglicht dem Anwender genau zu überprüfen, wie groß die Verformungen bezogen auf den Ort sind. Diese Informationen stehen für jede Frequenz, bei der Schwingungsformen auftreten, zur Verfügung.

Die Animation unten zeigt eine Betriebsschwingungsform, die mit dem Vic-3D Vibrations Analyse-System aufgenommen wurde. Dreidimensionale Verformungen, Dehnungen, Geschwindigkeiten und Beschleunigungen können mit der Analysesoftware berechnet werden. Die Ergebnisse können aber nicht nur graphisch dargestellt werden, das System ermöglicht den Anwender quantitative Daten (ASCII, MatLab, CSV, etc.) über das Probenverhalten für eine FEM-Analyse oder Überprüfung zu exportieren. Die 3D Animation des Model-Flugzeuges mit einer Betriebsschwingungsform bei 441 Hz weist lediglich eine Verschiebungsamplitude von 12µm auf.

 

 

Film Vibration3D_W_431Hz

Was ist eine transiente Schwingungsanalyse? 

Eine transiente Schwingungsanalyse ist der Prozess der Überwachung, Messung und Zustandsanalyse einer Proben während eines transienten Ereignisses. Die Materialeigenschaften können zusätzlich durch die Analyse der Betriebsschwingungsformen sowie der Eigenformen untersucht werden. Diese vollflächigen 3D-Formen können wertvolle Informationen liefern, um das Gleichgewicht einer Probe, die Verschiebungen, die Verbiegung,  die Steifigkeit und die Gesamtproduktperformance zu optimieren. Die Messung von Betriebsschwingungen kann dabei helfen, die Frage zu beantworten, wie viel sich eine Struktur tatsächlich bei einer speziellen Frequenz bewegt.

 

Warum ist das für Sie wichtig?

Betriebsschwingungsanalysen von transienten Ereignissen können aufklären, ob die Probe ungleichmäßige Dicken, Oberflächenunregelmäßigkeiten, Schwachstellen, Risse oder andere Fehler aufweist. Diese Informationen helfen an jedem Punkt Ihres Prozesses, z.B. beim Schreiben von Projektvorschlägen oder Veröffentlichungen.

Das Vic-3D High-Speed Vibrations Analyse System

  • besitzt vertretbare Anschaffungskosten.
  • kann verwendet werden:
    • für die Erzeugung und Überprüfung von  FE Modellen, wenn neue Bauteile oder Geräte kontruiert werden.
    • während des Entwicklung- und Kontruktionsprozesses.
    • in der Produkttestphase.
    • für eine Qualitätskontrolle in der Fertigung.
    • für die Bestätigung und Gewährleitung, dass die Ausrüstung wie erwartet funktioniert.
    • um Bauteile nach der Installation zu messen und analysieren.
    • um die Produktqualität über längere Zeit im Feld zu gewährleisten.
    • wenn eine Produktfunktionalität neu bewertet werden soll.

 

Hier einige Bespiele für transiente Ereignisse, die mit dem System gemessen werden können:

▪ Zuschlagen einer Tür ▪ Anregung durch Hammerschlag
▪ Motorstart ▪ Falltests
▪ Explosionen ▪ Ballistische Untersuchungen

 

Systemeigenschaften 

  • Anzeigen,  vergleichen,  anregen, grafisch darstellen, extrahieren und exportieren der Daten für einen einfachen FEM-Vergleich
  • 3D-Vollfeld-Messung, Hochfrequenzbetrieb mit Auflösungen im Nanometerbereich
  • Messung von extrem kleinen Amplituden mit extrem hohen Beschleunigungen
  • Vollfeld Dehnungen, Verformungen und Formänderungen werden angezeigt
  • Einfaches Verfahren mit genauen Ergebnissen
  • Benutzerfreundliche Öberfläche
  • Kostet nur ein Bruchteil des Preises eines Laservibrometer Systems

 

Vorteile gegenüber anderen Messverfahren

Obwohl es praktisch ist, herkömmliche Vibrationsmesssysteme zu benutzen, haben diese auch Nachteile. Zum Beispiel kann es passieren, dass sich Beschleunigungsnehmer während der Messung lösen oder eine Probe aufladen. Sie liefern lediglich eine Punkt-zu-Punkt-Messung, oftmals nur in einer Ebene. Die Tests großer Strukturen können somit Tage oder Wochen dauern.

Mit dem Vic-3D Vibrations Analyse System sind keine Klebstoffe, Drähte, Signalanalysatoren, Leistungsverstärker oder Kraftaufnehmer für detaillierte Vibrationsergebnisse notwendig. Es ist für alle Anwender sehr einfach und schnell tausende Datenpunkte sowohl für eine kleine, komplexe Struktur als auch für eine große Fläche zu erhalten. Laservibrometer können zwar ähnlich wie die digitale Bildkorrelation berührungslos messen, sind aber genauso wie Beschleunigungsmesser nur in der Lage Punkt-zu-Punkt Messungen durchzuführen. Eine 3D Messung erreicht man mit mehreren Laservibrometern, die im Normalfall an großen Roboterarmen montiert werden. Der Aufbau ist unflexibel, Kosten intensiv und benötigt viel Platz.

Das Vic-3D Vibrations Analyse System arbeitet mit jedem kompatiblem Laptop an Ihrem Messort, in Verbindung mit der Vic-3D Workstation erhalten Sie einen mobilen Systemaufbau für Ihren Betrieb. Das Vic-3D Vibrations Analyse System kostet nur einen Bruchteil von einem 3D Scanning-Vibrometer-System, weiterhin kann das Vibrations-Modul an jedes bestehende Vic3D System integriert werden, wodurch es noch günstiger wird.