Abgasrohr

Exhaust1Die Ingenieure der Firma Cummins entwickeln und testen ihre Motoren, um reellen Bedingungen der Industrie standzuhalten, die von militärische Einsätzen bis zu großen Industrieanlagen reichen. Sie wollen genaustens erfahren, wie sich ihre Bauteile unter der Kombination von thermischer und mechanischer Belastung verformen. Das bedeutet, sie müssen ihre Tests mit laufenden heißen Motoren durchführen.

Aufgrund der komplexen Spannungsfelder, die unter diesen Bedingungen erzeugt werden, können herkömmliche Dehnungsmessstreifen Cummins Anforderungen nicht genügen. FEM Simulationen  sind durch die unsicheren Randbedingungen ebenfalls nur begrenzt möglich. Mit dem Vic-3D System sind Cummins Ingenieure in der Lage detaillierte 3-dimensionale Dehnungsmessungen durchzuführen. Diese Messungen werden unter reellen Belastungsbedingungen vorgenommen, während der Motor läuft. Darüber hinaus ist der Aufbau des Vic-3D Systems einfach, mit dem System können sowohl kleine Objekte als auch große Baugruppen vermessen werden.

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Paul Gloeckner, leitender Entwicklungsingenieur von Cummins, beschreibt die Nützlichkeit des Vic-3D Systems wie folgt: “Dieses Messgerät erlaubt es uns Untersuchungen vorzunehmen, die bisher nicht möglich waren. Zusätzlich konnten die Messzeiten der Tests reduziert werden.”

 

Dynamische Kompression von Metallen

Dynamic compressionUntersuchungen des Verhaltens von Metallen während eines dynamischen Hochgeschwindigkeit-Kompressionsereignisses ist seit jeher aufgrund von komplexen Versuchsaufbauten und hohen Datenerfassungsraten eine große Herausforderung. Derzeit steht nur wenig Literatur über das Verformungsverhalten bei Dehnungsraten von 10 bis 500s-1 zur Verfügung. Mit einem Vic-3D HS System und Hochgeschwindigkeitskameras können Oberflächenverschiebungen und Dehnungen vollflächig in drei Dimensionen mit einer hohen Genauigkeit quantifiziert werden. Die Bildkorrelation hat in den letzten Jahren in solchen Hochgeschwindigkeitsanwendungen aufgrund seiner hohen Genauigkeit, Flexibilität und Benutzerfreundlichkeit große Popularität gewonnen.

 

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In diesem Beispiel wurde eine zylindrische Probe mit einem Durchmesser von 6mm kompremiert. Die Dehnungsrate betrug 50s-1 . Ein Vic-3D HS System erfasst die Oberflächenverschiebungen und Dehnungen während des Versuches. Auf der Probe wird ein zufälliges Specklemuster aufgetragen. Dieses ermöglicht der Analysesoftware einfach und subpixelgenau die Verformung zu verfolgen. Obwohl die Hochgeschwindigkeitskameras in der Lage sind, wesentlich höhere Erfassungsraten zu erreichen, wurde für diesen Test eine geeignete Bildrate von 14,400fps verwendet. Hiermit erreicht man eine maximierte räumliche Auflösung und erhält eine ausreichende Anzahl von Bildern. Die Kameras wurden bei einer Auflösung von 1024 x 400 Pixel getriggert. Im Anschluss an die Messung werden die Bilder auf die Festplatte des Computers übertragen und mit der Vic-3D Analysesoftware nachbearbeitet.

 

Bilder mit freundlicher Genehmigung von Amos Gilat & Jeremy Seidt an der Ohio State University.

Kontraktion eines Muskels

Biomechanische Wissenschaftler untersuchten die Kontraktion des vorderen Schienbeinmuskels einer Ratte. Wünschenswert war es, schnell und genau die Gesamtbewegung des Muskels sowie lokale Variationen zu quantifizieren.

Herausforderungen

Weil die Experimente an lebenden Gewebe durchgeführt werden sollten, war es schwierig herkömmliche Dehnungsmesstreifen anzubringen. Außerdem neigten die Dehnungsmessstreifen dazu, die Bewegungsmessung zu stören. Es war wichtig, möglichst viele Datenpunkte so schnell wie möglich zu erfassen. Marker-Verfolgungen wurde durchgeführt, ergaben aber nur grobe Durchschnittswerte bei großem Zeitaufwand.

Lösung

Mit dem Vic-3D System ist es möglich, die Kontraktionsdaten über die komplette Muskeloberfläche zu erfassen. Die hohe Geschwindigkeit und einfache Bedienung des Systems ließen es zu, zahlreiche Messungen mit definierten Zeitintervallen durchzuführen. Es kam zu keiner Interaktion mit dem Prüfling und durch die großflächige Messung war es nicht notwendig sich auf einen interessanten Bereich zu beschränken.

Die Messergebnisse boten eine hohe räumliche Auflösung und es konnten zahlreiche Gebiete ermittelt werden, in denen Bündel des Muskelgewebes signifikante Abweichungen in der Muskelkontraktion aufwiesen. Diese Gebiete konnten bisher mit konventionellen Methoden nicht identifiziert werden. Bei den Messungen wurden alle Kalkulationen automatisch durchgeführt, was deutlich Zeit einspart und die Möglichkeit menschlicher Fehler verhindert.

Schwingungsmessung an einer Bremsscheibe

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Automobile unterliegen im Betrieb vielen verschiedenen Kräften. Vibrationen vom Motor oder der Straßenoberfläche werden über den Fahrzeugrahmen übertragen. Das Bremssystem, eines der wichtigsten mechanischen Komponenten des Fahrzeuges, ist diesen Belastungen ausgesetzt.

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In diesem Beispiel wurde die Bremsscheibe eines Schwerlast-LKWs  mit Hilfe eines kleinen Hammers angeregt, um deren Schwingungsformen zu messen. Die dreidimensionalen Betriebsschwingungsformen können mit dem Vic-3D HS Vibrationsanalysesystem leicht identifiziert und vermessen werden. Amplituden im Bereich von 40 Nanometer können bei einer Frequenz von ungefähr 2.000Hz analysiert werden.

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.

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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):

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Bild 2 – Dehnung in x-Richtung

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Bild 3 – Dehnung in y-Richtung

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Bild 4 – Standardabweichung unter Belastung

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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.

Verformungsmessung

Aerospace Anwendungsbeispiel

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Airbus baute sich für seine innovativen Flugzeuge, die auf der ganzen Welt für ihre Sicherheit und Effizienz anerkannt sind, in den letzten Jahren einen guten Ruf auf. Diese Qualitätsmerkmale werden durch ein erstklassiges Testprogramm ausgezeichnet, dessen Innovativität auch die Nutzung eines Vic-3D Messsystems beweist.

Eines der Ziele des Airbus Testprogrammes ist die Charakterisierung der strukturellen Beschädigungen, verursacht durch die Kollision des Flugzeuges mit kleinen Projektilen, wie z.B. Vögeln oder anderen Verunreinigungen. Wichtig dabei ist es sicherzustellen, dass die strukturelle Integrität des Flugzeuges erhalten bleibt. Diese Art von Ereignissen können reproduziert werden, indem eine Auswahl von verschiedenen Projektilen auf ein Teilstück des Flugzeuges mit hoher Geschwindigkeit geschossen werden. Mit den erhaltenen Messergebnissen werden die Computermodelle mit der Struktur verglichen und gegebenenfalls optimiert, was hochoptimierte, sichere Designs zur Folge hat.

aerospace_2_notitle-300x224Dr. Richard Burguete, experimenteller Mechanikspezialist von Airbus UK seit 1997, erklärt die Vorteile dieser Vorgehensweise wie folgt: “Das Vic-3D System gibt uns die Sicherheit zu wissen, dass wir alle relevanten Daten erfasst haben. Einige von ihnen wären anderweitig unerreichbar gewesen.”