Abstract
The oscillation behaviour of the Schenck and Roell-Amsler servohydraulic dynamic tensile testing machines used at the RWTH IEHK has been investigated [1]. The dynamic longitudinal and bending oscillations, propagating through the test set-up, have been characterised with a Fast Fourier Transformation (FFT) and a simple analytical model. When increasing the strain rate, the Eigen frequency of the test set-up becomes a limiting factor. With higher testing speed the oscillations amplitude and inertia effects also increase, which makes it difficult to determine accurately the mechanical properties as usually done with quasistatic tensile tests. A set-up optimisation can be reached by decreasing the mass between the load cell and the sample, either by moving the load cell closer to the sample, or with a lighter machine design and grip shape. A combination of both possibilities has been followed at IEHK. A global piezoquartz load cell, a quasilocal calibrated strain gage load cell on the grip, and a local calibrated strain gage load cell on the sample can be used as load measurement systems. The corresponding load signals have been compared with regard to initial oscillation amplitude, frequency, and damping factor for different strain rates. The positive effects of a lightweight sample grip design are also shown and quantified. The initial amplitude can be reduced easily by using damping rubbers. Advantages and draw backs of this method are shown. Short sample geometries are also beneficial to increase the vibration frequency. Knowing the vibration behaviour of the machine, it is then easier to classify the materials to be tested dynamically, based on the quasistatic yield ratio and fracture elongation values. Since vibrations cannot be avoided with conventional servohydraulic machines, an adequate smoothing method must still be chosen to determine the mechanical properties and flow curves. Low pass filtering results are compared with analytical polynoms and the traditional spline smoothing method used at IEHK.
Kurzfassung
Der vorliegende Beitrag fasst die Untersuchungen über das oszillierende Verhalten der servohydraulischen dynamischen Prüfmaschinen von Schenck und Roell-Amsler zusammen, die am Institut für Eisenhüttenkunde (IEHK) an der RWTH Aachen eingesetzt werden. Die dynamischen Längs- und Biegeamplituden, die sich durch die Prüfeinrichtungen fortsetzen, wurden mittels einer Fast Fourier Transformation Analyse (FFT) und eines einfachen analytischen Modells charakterisiert.
Mit zunehmender Dehnrate wird die Eigenfrequenz des Prüfsystems zum limitierenden Faktor. Mit höherer Testgeschwindigkeit nehmen die Oszillationsamplituden und die inneren Effekte zu, so dass es schwierig wird, die mechanischen Eigenschaften akkurat zu bestimmen, wie beispielsweise in quasi-statischen Versuchen.
Eine Optimierung der Prüfeinrichtungen kann erreicht werden, indem die Masse zwischen der Kraftmesszelle und dem Prüfkörper vermindert wird, was sich entweder dadurch erreichen lässt, dass die Kraftmesszelle näher an das Prüfstück herangeführt wird, oder mit einem leichteren Design der Maschine oder der Einspannungsvorrichtungen. Am IEHK wurde eine Kombination von beidem verfolgt. Eine globale Piezoquarz-Kraftmesszelle, eine quasi-lokal kalibrierte Kraftmesszelle an den Einspannungen und eine lokal kalibrierte Kraftmesszelle am Prüfstück können als Kraftmesseinrichtungen verwendet werden. Die entsprechenden Belastungssignale wurden für verschiedene Dehnraten bezüglich ihrer Ausgangs- Oszillationsamplitude, ihrer Frequenz und ihres Dämpfungsfaktors verglichen. Die positiven Auswirkungen eines leichten Designs der Einspannung wurden ebenfalls gezeigt und auch quantifiziert. Die Ausgangsamplitude kann zwar mittels Gummidämpfern reduziert werden. Die Vor- und Nachteile des Verfahrens werden jedoch erörtert. Kurze Probenabmessungen wirkten sich ebenfalls günstig auf eine Erhöhung der Vibrationsfrequenz aus.
Mit Kenntnis des Vibrationsverhaltens der Prüfmaschine ist es einfacher, die dynamisch zu prüfenden Werkstoffe auf der Basis der Werte des quasistatischen Streckgrenzenverhältnisses und der Bruchdehnung zu klassifizieren.
Da Vibrationen an konventionellen servohydraulischen Prüfmaschinen nicht vermieden werden können, muss immer noch ein adäquates Glättungsverfahren gewählt werden, um die mechanischen Eigenschaften und die Fließkurven zu bestimmen. Die Ergebnisse mit einem Tiefpass-Filter wurden denen gegenübergestellt, die mittels analytischer Polynome und mittels traditionellem Spline-Glättungsverfahren gewonnen wurden, das am IEHK eingesetzt wird.
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