Grundlagen der Ermüdungslebensdauerprognose
Ermüdungsversagen ist eine der Hauptursachen für strukturelle Schäden an Werkstoffen und Bauteilen, weshalb die Vorhersage der Ermüdungslebensdauer in vielen Branchen ein wichtiger Bestandteil der Konstruktion, Validierung und Wartung ist.
Bei der Kraftmessung sind Wägezellen unverzichtbare Werkzeuge zur genauen Quantifizierung der Kräfte, die bei Ermüdungsprüfungen ausgeübt werden. Es ist wichtig zu verstehen, was Ermüdungslebensdauer ist, warum sie schwer zu charakterisieren ist und wie Werkzeuge wie die S-N-Kurve verwendet werden, um die Betriebslebensdauer von Wägezellen und den von ihnen gemessenen Strukturen abzuschätzen.
Ermüdung bezeichnet die Schwächung eines Materials durch wiederholt einwirkende Belastungen. Nach einer bestimmten Anzahl von Zyklen kommt es zum Versagen, selbst wenn die Belastungen deutlich unter der Zugfestigkeit des Materials liegen.
Ermüdungsprüfungen werden aus mehreren wichtigen Gründen durchgeführt:
- Validation and liability by generating data to prove a product meets life-cycle expectations.
- Model confirmation in validating Finite Element Analysis (FEA) models for structural integrity.
- Safety assurance by demonstrating the safety of structures susceptible to fatigue damage.
- Maintenance planning: in predictive and proven maintenance and inspection schedules.
Ermüdung ist ein nichtlinearer Prozess, was bedeutet, dass die Schadensakkumulation komplex und schwer zu charakterisieren ist. Selbst bei kontrollierten Tests an einfachen Proben zeigen die Ergebnisse eine große Streuung. Bei komplexen Strukturen wie einer Wägezelle wird diese Analyse noch komplizierter.
Eine genaue Vorhersage der Ermüdungslebensdauer ist zwar nicht möglich, doch lassen sich anhand theoretischer Analysen und empirischer Daten nützliche Näherungswerte zur Abschätzung der Sicherheitsmarge für eine bestimmte Konstruktion ermitteln.
Die Rolle von Wägezellen bei Ermüdungsprüfungen
Wägezellen sind für die genaue Messung der Kräfte, die während Ermüdungsprüfungen auf Materialien ausgeübt werden, von entscheidender Bedeutung. Sie sind überall dort unverzichtbar, wo Materialien, Teile oder Baugruppen zur Überprüfung ihrer Lebensdauer oder bis zur Zerstörung getestet werden.
Die Belastungsstufe und die Zyklenanzahl können Ermüdungsbrüche kategorisieren. Eine hohe Zyklenermüdung ist definiert als Millionen von relativ geringen Belastungen, die zu einem Bruch führen. Eine geringe Zyklenermüdung wird als Tausende von hohen Belastungszyklen angesehen, die zu einem Bruch führen.
Bei der Durchführung von Ermüdungstests ist es wichtig, die Grenzen der mechanischen Einrichtung zu kennen, darunter die Kapazität und Auflösung der Kraftmesszelle, die Steifigkeit der Maschine und Umweltfaktoren.
Interface bietet eine Vielzahl von hochleistungsfähigen, ermüdungsgeprüften Sensoren, darunter spezielle LowProfile®- und Mini-Wägezellen, die mit Materialien und Verfahren entwickelt wurden, die die Neigung dieser beiden Ausfallmodi ausgleichen, um eine zuverlässige, langfristige Leistung zu gewährleisten. Im Folgenden finden Sie eine Liste der Interface-Wägezellen, die häufig in Ermüdungsprüfungsanwendungen eingesetzt werden.
Wägezellen für Ermüdungsprüfungen
- 1000 LowProfile®-Wägezelle mit Ermüdungsfestigkeit
- 1000 LowProfile®-Wägezelle mit hoher Kapazität und Ermüdungsfestigkeit
- 1500 LowProfile®-Wägezelle mit geringer Kapazität
- 1208 Flansch-Standard-Präzisions-LowProfile®-Wägezelle
- 1700 Flansch-LowProfile-Wägezelle
- MBI-Miniatur-Balkenwägezelle mit Überlastschutz
- SSMF-Wägezelle vom Typ S mit Ermüdungsfestigkeit
Ausfallgefährdete Komponenten von Wägezellen
Bei einer Wägezelle gibt es zwei primäre Metallkomponenten, die bei der Ermüdungsanalyse berücksichtigt werden müssen: die Biegung (Federelement) und das Dehnungsmessstreifen (Sensor).
Biegebruch ist struktureller Natur. Die Biegung trägt die physikalische Belastung, daher ist ihr Bruch immer struktureller Natur. Der Bruch eines Dehnungsmessstreifens ist elektrischer Natur. Da die Funktion der Messstreifen in der elektrischen Messung kleinster Auslenkungen besteht, ist der Bruch in der Regel nicht struktureller Natur. Er macht sich durch eine Verschiebung des Widerstands oder des Messfaktors bemerkbar, wodurch die Messgenauigkeit beeinträchtigt wird.
Das Leben mit der S-N-Kurve vorhersagen
Die S-N-Kurve (Spannung-Anzahl der Zyklen) ist das bekannteste Werkzeug in der Materialwissenschaft zur grafischen Abschätzung der Ermüdungslebensdauer. Was ist eine S-N-Kurve? Eine S-N-Kurve stellt die zulässige Anzahl von Belastungszyklen gegenüber den zyklischen Spannungsniveaus dar, die erforderlich sind, um eine Probe zu zerbrechen. Sie hilft bei der Vorhersage der Materiallebensdauer und ist entscheidend für die Konstruktion von Komponenten, die sicher funktionieren sollen. Wenn Sie das maximale Spannungsniveau kennen, dem eine Komponente ausgesetzt sein wird, können Sie die S-N-Kurve für dieses Material verwenden, um seine Betriebslebensdauer zu approximieren.
Die Belastungsgrenze
Ein wesentliches Merkmal von Stahl ist die Dauerfestigkeit, also die Belastungsgrenze, bei der die S-N-Kurve im Wesentlichen flach verläuft. Wenn ein Stahlbauteil unterhalb dieser Belastungsgrenze betrieben wird, kann es theoretisch unendlich viele Lastzyklen ohne Ermüdungsbruch überstehen.
Nichteisenmetalle wie Aluminiumlegierungen weisen im Allgemeinen keine Dauerfestigkeit auf. Ihre S-N-Kurven verlaufen mit einer geringen, kontinuierlichen Steigung weiter, was bedeutet, dass sie unabhängig von der geringen Belastung irgendwann versagen.
Dehnungs-N-Kurven
Zur Analyse der Ermüdungseigenschaften der Dehnungsmessstreifen ist es praktischer, eine Strain-N-Kurve zu verwenden, in der die Anzahl der Zyklen gegen die Dehnung (eine dimensionslose Größe) aufgetragen wird. Die Dehnung wird in der Regel in Mikrodehnung gemessen. Spannung und Dehnung stehen in Zusammenhang mit dem Elastizitätsmodul des Materials, wodurch ein Vergleich zwischen S-N- und Strain-N-Kurven möglich ist.
Durch die Nutzung präziser Kraftmessungen von ermüdungsgeprüften Wägezellen und den Einsatz von Datenauswertungsmethoden wie S-N-Kurven können Ingenieure fundierte Entscheidungen treffen, um die Lebensdauer zu maximieren und die Sicherheit kritischer Strukturen zu gewährleisten. Laden Sie sich unbedingt unseren Leitfaden zu Wägezellen herunter, um mehr über die Theorie der Ermüdungsprüfung und die Vorhersage von Ermüdung zu erfahren.