DE102010023727A1

DE102010023727A1 - Method for low-vibration optical force measurement, especially at high temperatures

Info

Publication number: DE102010023727A1
Application number: DE102010023727A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Böhme
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2010-06-14
Filing date: 2010-06-14
Publication date: 2011-12-15
Also published as: EP2580563A2; WO2011157261A2; WO2011157261A3

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur optischen Kraftmessung, bei dem ein elastisch verformbarer und/oder ein sich elastisch verformender Bereich (2) eines Festkörpers (1) durch Einwirkung einer Kraft einer Änderung seiner Geometrie unterworfen wird, die durch die Einwirkung der Kraft bewirkte Änderung der Geometrie des Bereichs (2) optisch erfasst wird und die die Änderung der Geometrie bewirkende Kraft anhand eines vorbestimmten, bevorzugt eineindeutigen Kraft-Geometrieänderungs-Zusammenhangs aus der optisch erfassten Änderung der Geometrie berechnet wird. Ebenso bezieht sich die Erfindung auf eine Anordnung zum Durchführen dieses Verfahrens.The invention relates to a method for optical force measurement in which an elastically deformable and / or an elastically deformable region (2) of a solid body (1) is subjected to a change in its geometry by the action of a force, which is caused by the action of the force Change in the geometry of the area (2) is optically detected and the force causing the change in the geometry is calculated from the optically detected change in the geometry on the basis of a predetermined, preferably one-to-one, force-geometry change relationship. The invention also relates to an arrangement for carrying out this method.

Description

Gebiet der Erfindung:Field of the invention:

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur optischen Kraftmessung, beispielsweise im Bereich von Hochgeschwindigkeitsversuchen und/oder bei hohen oder niedrigen Temperaturen. Unter einem Hochgeschwindigkeitsversuch wird hierbei ein Versuch, bei dem eine Werkstoffprobe einer schnellen, plötzlichen Belastung (schnelle dynamische Belastung) unterworfen wird, die zu einer Geometrieänderung, insbesondere einer Längenänderung, der Werkstoffprobe führt, verstanden. Die Erfindung bezieht sich darüber hinaus auf eine Anordnung, die zum Durchführen eines Verfahrens zur optischen Kraftmessung ausgebildet ist.The present invention relates to a method of optical force measurement, for example in the field of high-speed tests and / or at high or low temperatures. In this context, a high-speed test is understood to mean an experiment in which a material sample is subjected to a rapid, sudden load (rapid dynamic load) which leads to a change in geometry, in particular a change in length, of the material sample. The invention also relates to an arrangement which is designed to carry out a method for optical force measurement.

Stand der Technik und Nachteile bekannter Lösungen:Prior art and disadvantages of known solutions:

Im Allgemeinen wird zur Charakterisierung von Festkörpern (d. h. Werkstoffproben) und zur Gewinnung von Werkstoffkennwerten und/oder Werkstoffkennkurven (beispielsweise: Kraft-Verlängerungs- oder Kraft-Stauchungskurven und/oder daraus abgeleitete technische und wahre Spannungs-Dehnungskurven oder Kennwerte wie Streckgrenze und Zugfestigkeit) bei statischen oder hinreichend langsamen Versuchen, wie z. B. bei genormten Zugversuchen, die Kraftmessung mit einer Kraftmesszelle der zum entsprechenden Zugversuch eingesetzten Prüfmaschine durchgeführt.In general, for the characterization of solids (ie, material samples) and for obtaining material characteristics and / or material characteristics (for example: force-elongation or force-compression curves and / or derived therefrom technical and true stress-strain curves or characteristics such as yield strength and tensile strength) static or sufficiently slow experiments, such. B. in standardized tensile tests, the force measurement carried out with a load cell of the testing machine used for the corresponding tensile test.

Beispielsweise in der Automobilindustrie werden jedoch als Eingangsdaten für Fahrzeug-Crashsimulationen für die eingesetzten Werkstoffe Kennwerte und Fließkurven zur Beschreibung des Verformungs- und Versagensverhaltens bei crashrelevanten äußeren Belastungsgeschwindigkeiten bis etwa 20 m/s benötigt, die in den belasteten Komponenten/Bauteilen lokal hohe Dehnraten bis etwa 500 s^–1 Bei entsprechenden Hochgeschwindigkeitsversuchen mit Werkstoffproben zur Bestimmung der Werkstoffeigenschaften unter Crashbelastungen treten jedoch die folgenden Schwierigkeiten auf: Die Kraftmesszellen der Prüfmaschine reagieren entweder zu langsam oder haben zu geringe Verstärkerbandbreiten, um die schnellen Vorgänge detektieren zu können. Zudem werden die Kraftmesszellen durch die notwendigen schnellen, meist schlagartigen Krafteinleitungen in die zu prüfenden Festkörper aufgrund von Trägheitskräften zu starken Schwingungen angeregt. Aufgrund dieser Schwingungen entstehen stark oszillierende ”globale” Kraftsignale, aus denen das tatsächliche Werkstoffverhalten nicht mehr sinnvoll ableitbar ist.For example, in the automotive industry, characteristic values and flow curves for describing the deformation and failure behavior at crash-relevant external load speeds of up to about 20 m / s are required as input data for vehicle crash simulations, which in the loaded components / components locally high strain rates to about 500 s ^-1 However, the following difficulties arise with corresponding high-speed tests with material samples for determining the material properties under crash loads: The load cells of the testing machine react either too slowly or have too low amplifier bandwidths in order to be able to detect the fast processes. In addition, the force measuring cells are stimulated by the necessary rapid, usually sudden force introduction into the solid to be tested due to inertial forces to strong vibrations. Due to these oscillations, strongly oscillating "global" force signals are generated, from which the actual material behavior can no longer be reasonably deduced.

Aus dem Stand der Technik sind bereits Empfehlungen bekannt, wie dennoch, auch bei Hochgeschwindigkeitsversuchen, eine Kraftmessung erfolgen kann: So kann eine ”quasi-lokale” Kraftmessung mit speziellen Kraftmessgliedern, die schwingungsärmere Ergebnisse als die ”globale” Kraftmessung liefern, erfolgen (s. beispielsweise EP 1 466 157 B1 ). Eine noch genauere Kraftmessung lässt sich mit Dehnungsmessstreifen erzielen: Bei dieser ”lokalen” Kraftmessung werden Dehnungsmessstreifen im Dynamometerteil der zu prüfenden Festkörper bzw. Werkstoffproben eingesetzt, deren Dehnungssignal in statischen Vorversuchen im Vergleich zu einer konventionellen Kraftmessung mit der Kraftmesszelle kalibriert werden kann.Recommendations are already known from the prior art as to how, even with high-speed tests, a force measurement can take place: Thus, a "quasi-local" force measurement can be carried out with special force measuring elements which provide less vibration than the "global" force measurement (see FIG. for example EP 1 466 157 B1 ). An even more accurate force measurement can be achieved with strain gauges: In this "local" force measurement strain gauges are used in the dynamometer part of the solid or material samples to be tested whose strain signal can be calibrated in static preliminary tests in comparison to a conventional force measurement with the load cell.

Letztgenannte Messtechnik wird bei hohen Dehnraten von den aktuellen Richtlinien ( W. Böhme: FAT-Richtlinie ”Dynamische Werkstoffkennwerte für die Crashsimulation”, Zeitschrift Materialprüfung, Materials Testing, Carl Hanser Verlag, München, Vol. 50 (4), S. 199–205, 2008 ; Stahl-Eisen-Prüfblatt 1230 ”Ermittlung von mechanischen Eigenschaften an Blechwerkstoffen bei hohen Dehnraten im Hochgeschwindigkeitszugversuch”, Stahlinstitut VDEh, Düsseldorf, erste Ausgabe, 2007; DIN EN ISO 26203-2: 2009 ) als beste Möglichkeit empfohlen.The latter measuring technique is at high strain rates of the current guidelines ( W. Böhme: FAT guideline "Dynamic Material Characteristics for Crash Simulation", Journal Material Testing, Materials Testing, Carl Hanser Verlag, Munich, Vol. 50 (4), pp. 199-205, 2008 ; Stahl-Eisen-Prüfblatt 1230 "Determination of mechanical properties of sheet materials at high strain rates in high-speed tensile tests", Stahlinstitut VDEh, Dusseldorf, first edition, 2007; DIN EN ISO 26203-2: 2009 ) recommended as the best option.

Insbesondere letztgenannte Messtechnik ist jedoch wegen der Instrumentierung jeder Werkstoffprobe mit je einem Dehnungsmessstreifen auf der Vorder- und Rückseite und der erforderlichen Kalibrierung sehr aufwendig. Zudem ist eine Grundvoraussetzung, dass der Elastizitätsmodul des zu untersuchenden Werkstoffs nicht von der Dehnrate abhängig ist, so dass die Anwendung z. B. bei Kunststoffen nicht direkt möglich ist (diese Einschränkung gilt nicht für das Verfahren nach EP 1 466 157 B1 ). Zudem basieren die vorgenannten Messtechniken jeweils auf der Verwendung von Dehnungsmessstreifen, die auf der Werkstoffprobe (oder auf dem speziellen Kraftmessglied) zu applizieren sind. Damit ist der Anwendungsbereich auf den Einsatzbereich von Dehnungsmessstreifen beschränkt, also bei konventionellen, geklebten Folien-Dehnungsmessstreifen etwa auf einen Temperaturbereich von –60°C bis +200°C. (Für Versuche bei höheren Temperaturen ist es grundsätzlich, beispielsweise bei metallischen Werkstoffen, möglich, Hochtemperaturdehnungsmessstreifen auf jeder Werkstoffprobe durch Löten oder Schweißen zu applizieren, dies ist jedoch eine äußerst aufwendige und kostenintensive Lösung.)In particular, the latter measurement technique is very expensive because of the instrumentation of each material sample, each with a strain gauge on the front and back and the required calibration. In addition, a basic requirement is that the modulus of elasticity of the material to be examined is not dependent on the strain rate, so that the application z. B. in plastics is not directly possible (this restriction does not apply to the process according to EP 1 466 157 B1 ). In addition, the aforementioned measurement techniques are based on the use of strain gauges which are to be applied to the material sample (or to the special force measuring element). Thus, the range of application is limited to the application of strain gauges, so in conventional, bonded film strain gauges to about a temperature range of -60 ° C to + 200 ° C. (For tests at higher temperatures, it is basically possible, for example in the case of metallic materials, to apply high-temperature strain gages to any material sample by soldering or welding, but this is an extremely complicated and expensive solution.)

Aufgabe der Erfindung:Object of the invention:

Ausgehend vom Stand der Technik ist es daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur optischen Kraftmessung (das insbesondere im Bereich von Hochgeschwindigkeitsversuchen eingesetzt werden kann) zur Verfügung zu stellen, das es erlaubt, eine auf einen Festkörper (Werkstoffprobe) einwirkende Kraft mit hoher Genauigkeit und in einem breiten Einsatzbereich (insbesondere: Temperaturbereich, ggf. aber auch Druckbereich) zu bestimmen. Dieses Kraftmessverfahren soll darüber hinaus insbesondere auch dazu geeignet sein, den zeitabhängigen Kraftverlauf bei schnellen, dynamischen Belastungen hochgenau zu bestimmen.Starting from the prior art, it is therefore an object of the present invention to provide a method for optical force measurement (which can be used in particular in the field of high-speed experiments), which allows a force acting on a solid (material sample) force with high accuracy and in a wide range of applications (in particular: temperature range, but possibly also pressure range) to determine. In addition, this force measuring method should, in particular, also be suitable for determining the time-dependent force curve with high precision under fast, dynamic loads.

Aufgabe der Erfindung ist es darüber hinaus, eine Anordnung, mit der das vorgenannte optische Kraftmessverfahren durchgeführt werden kann, zur Verfügung zu stellen.The object of the invention is also to provide an arrangement with which the aforementioned optical force measuring method can be performed to provide.

Vorgeschlagene Lösung:Suggested solution:

Die vorliegende Aufgabe wird durch ein Verfahren zur optischen Kraftmessung gemäß Anspruch 1 sowie durch eine entsprechende Anordnung gemäß Anspruch 15 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen lassen sich dabei jeweils den abhängigen Ansprüchen entnehmen.The present object is achieved by a method for optical force measurement according to claim 1 and by a corresponding arrangement according to claim 15. Advantageous embodiments can be found in each case the dependent claims.

Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung zunächst allgemein, dann anhand eines Ausführungsbeispiels beschrieben. Die nachfolgende Beschreibung des Kraftmessverfahrens erfolgt dabei primär an einem Verfahren zum Durchführen eines Hochgeschwindigkeitsversuchs und den im Rahmen eines solchen Versuchs an einem Festkörper bestimmten Geometrieänderungen beispielsweise in Form von Längenänderungen. Die vorliegende Erfindung lässt sich jedoch ebenso außerhalb des Bereichs von Hochgeschwindigkeitsversuchen einsetzen, wobei sich dann jeweils aus der verwendeten Versuchsart die hierfür spezifische Geometrieänderung, die erfindungsgemäß ausgewertet wird (s. nachfolgend) ergibt.Hereinafter, the present invention will be described first in general, then by means of an embodiment. The following description of the force measuring method is carried out primarily on a method for carrying out a high-speed test and the geometry changes in the course of such an experiment on a solid, for example in the form of changes in length. However, the present invention can also be used outside the range of high-speed experiments, in which case the specific geometry change which is evaluated according to the invention (see below) results from the type of test used.

Auch müssen die beim konkreten Ausführungsbeispiel in einer speziellen Kombination gezeigten Einzelmerkmale der Anordnung und der durchgeführten einzelnen Verfahrensschritte im Rahmen der vorliegenden Erfindung nicht in der gezeigten Form verwirklicht werden, sondern können im Rahmen des durch die Patentansprüche vorgegebenen Schutzumfangs auch andersartig realisiert sein: Insbesondere können einzelne der gezeigten Verfahrensschritte und/oder Merkmale auch anders gestaltet oder weggelassen werden. Darüber hinaus sind selbstverständlich auch andere Kombinationen der beschriebenen Einzelschritte und/oder Einzelmerkmale im Rahmen der vorliegenden Erfindung miteinander verwirklichbar.In the context of the present invention, the individual features of the arrangement and the individual method steps performed in the specific exemplary embodiment need not be realized in the form shown, but may also be realized differently within the scope of protection specified by the patent claims the method steps and / or features shown also be designed differently or omitted. In addition, of course, other combinations of the described individual steps and / or individual features in the context of the present invention can be realized together.

Grundlegende Idee der vorliegenden Erfindung:Basic idea of the present invention:

Diese Idee basiert darauf, die sich durch die Einwirkung einer Kraft in einem elastisch verformbaren Bereich eines Festkörpers ergebende Änderung der Geometrie dieses Festkörpers in diesem Bereich optisch zu erfassen und aus der so erfassten Geometrieänderung anhand eines vorbestimmten Kraft-Geometrieänderungs-Zusammenhangs die die Geometrieänderung bewirkende Kraft zu berechnen. Bei dem vorbestimmten (bevorzugt eineindeutigen) Kraft-Geometrieänderungs-Zusammenhang kann es sich insbesondere um das Hooke'sche Gesetz handeln. Grundsätzlich sind jedoch auch andere, z. B. nichtlineare Zusammenhänge zur Bestimmung der einwirkenden Kraft im Rahmen der vorliegenden Erfindung auswertbar.This idea is based on optically detect the resulting change in the geometry of this solid in this area by the action of a force in an elastically deformable region of a solid and from the thus detected change in geometry based on a predetermined force-geometry change context, the force causing the change in geometry to calculate. The predetermined (preferably one-to-one) force-geometry change relationship may in particular be Hooke's Law. In principle, however, other, z. B. nonlinear relationships for determining the applied force in the context of the present invention evaluable.

Mit der Erfindung lässt sich somit insbesondere folgendes Verhalten von Werkstoffproben ausnutzen: Bei kleinen technischen Spannungen bis zum Erreichen der sogenannten Streckgrenze ist die Dehnung in der Werkstoffprobe reversibel, und die technische Spannung hängt linear von der Dehnung ab; die Verformung der Werkstoffprobe ist somit elastisch (Hooke'sches Gesetz: σ = E × ε, wobei σ die technische Spannung, ε die Dehnung und E der Elastizitätsmodul ist). Bei Spannungen oberhalb der Streckgrenze verliert das Hooke'sche Gesetz seine Gültigkeit, es kommt zur plastischen Verformung der Werkstoffprobe. Wie nachfolgend noch im Einzelnen beschrieben, kann jedoch der elastische Bereich aufgrund des im Hooke'schen Gesetz beschriebenen Kraft-Geometrieänderungs-Zusammenhangs dazu ausgenutzt werden, aus einer Dehnung (nach geeigneter Kalibrierung bzw. Bestimmung des Elastizitätsmoduls) die zugehörige technische Spannung und daraus mit dem entsprechenden Ausgangsquerschnitt an der Messstelle auf der Probe die zugehörige Kraft, die diese Dehnung verursacht, zu ermitteln. Dies geschieht wie vorbeschrieben erfindungsgemäß auf optischem Weg.Thus, with the invention, in particular the following behavior of material samples can be exploited: With small technical tensions until reaching the so-called yield strength, the strain in the material sample is reversible, and the technical tension depends linearly on the elongation; the deformation of the material sample is thus elastic (Hooke's law: σ = E × ε, where σ is the technical stress, ε the strain and E the modulus of elasticity). At stresses above the yield strength, Hooke's law loses its validity, causing plastic deformation of the material sample. As described in more detail below, however, the elastic range can be exploited on the basis of the force-geometry change relationship described in Hooke's law, from an elongation (after suitable calibration or determination of the modulus of elasticity) the associated technical tension and therefrom with the appropriate output cross section at the measuring point on the sample to determine the associated force causing this strain. This is done as described above according to the invention by optical means.

Die Grundidee der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, eine Geometrieänderung in einem elastischen Probenabschnitt (insbesondere: eine Dehnungsmessung in einem sich ausschließlich elastisch verformenden Dynamometerteil der Probe) optisch aufzunehmen und auszuwerten. Die optische Erfassung kann speziell bei Hochgeschwindigkeitsversuchen z. B. mithilfe einer Hochgeschwindigkeitskamera mit hoher Orts- und Zeitauflösung und die Auswertung mit einer entsprechenden Bildanalysesoftware, wie nachfolgend noch im Einzelnen beschrieben, mit hoher Genauigkeit durchgeführt werden.The basic idea of the present invention is therefore to optically record and evaluate a change in geometry in an elastic sample section (in particular: a strain measurement in a dynamometer part of the specimen that deforms exclusively elastically). The optical detection can be especially for high-speed experiments z. B. using a high-speed camera with high spatial and temporal resolution and the evaluation with a corresponding image analysis software, as described in more detail below, be performed with high accuracy.

Vorteilhafte Weiterbildungen dieser grundlegenden Idee im Rahmen der vorliegenden Erfindung:Advantageous developments of this basic idea in the context of the present invention:

In einer ersten vorteilhaften Ausführungsform wird eine reversible Längenänderung, insbesondere eine Verlängerung oder eine Verkürzung, des elastischen Bereiches optisch erfasst. Bei dem vorbestimmten Kraft-Geometrieänderungs-Zusammenhang kann es sich somit um einen Zusammenhang zwischen einer Krafteinwirkung und einer durch diese Krafteinwirkung bewirkten, reversiblen Längenänderung im elastischen Bereich handeln (z. B. Hooke'sches Gesetz). Es müssen jedoch nicht Längenänderungen erfasst werden, die optische Erfassung kann auch z. B. bei Hochgeschwindigkeitsversuchen (wie beispielsweise Scherversuchen) eingesetzt werden, die zu einer Verdrehung, Verzerrung und/oder Scherung im sich elastisch verformenden Bereich führen, die dann entsprechend optisch erfasst und ausgewertet werden kann.In a first advantageous embodiment, a reversible change in length, in particular an extension or a shortening, of the elastic region is detected optically. The predetermined force-geometry change relationship can thus be a relationship between a force and a through act this force effect, reversible change in length in the elastic range act (eg Hooke's Law). However, it must not be detected changes in length, the optical detection can also z. B. in high-speed tests (such as shear tests) are used, which lead to a rotation, distortion and / or shear in the elastically deforming area, which can then be correspondingly optically recorded and evaluated.

Vorteilhafterweise kann über ein vordefiniertes Zeitintervall der durch eine zeitlich variierende einwirkende Kraft jeweils bewirkte momentane Zustand der Geometrie des elastischen Bereichs optisch erfasst werden. Die jeweils diesen momentanen Zustand der Geometrie bewirkende momentan einwirkende Kraft kann dann aus dem momentanen Geometriezustand mittels des vorbestimmten Kraft-Geometrieänderungs-Zusammenhangs berechnet werden. Erfindungsgemäß ist somit eine Bestimmung des zeitabhängigen Kraftsignals möglich.Advantageously, over a predefined time interval, the momentary state of the geometry of the elastic region caused in each case by a temporally varying acting force can be detected optically. The instantaneous force acting on this instantaneous state of the geometry can then be calculated from the current geometry state by means of the predetermined force-geometry change relationship. According to the invention, a determination of the time-dependent force signal is thus possible.

Beispielsweise können im elastischen Bereich mindestens zwei Markierungen beabstandet voneinander angebracht werden. Alternativ dazu lassen sich jedoch auch zwei beabstandet voneinander angeordnete, vorgegebene Strukturen (z. B. Vorsprünge oder Gräben oder auch hervortretende Oberflächentexturen in diesem Bereich) als Markierungen verwenden. Diese Markierungen werden dann bei verschiedenen einwirkenden Kräften jeweils optisch abgebildet. In diesen verschiedene geometrische Zustände wie beispielsweise Längen des elastischen Bereichs widerspiegelnden optischen Abbildungen werden Positionen und/oder Abstände dieser Markierungen ausgewertet, d. h. es werden Positionen und/oder Abstände dieser Markierungen in den einzelnen optischen Abbildungen bestimmt und zum Berechnen von Geometrieänderungen im elastischen Bereich bewirkenden Kräften ausgewertet.For example, in the elastic region, at least two markings can be applied at a distance from one another. Alternatively, however, it is also possible to use two predetermined structures (eg projections or trenches or also protruding surface textures in this area) arranged at a distance from one another as markings. These markers are then optically imaged at different acting forces. In these various geometrical states, such as optical region reflections of the length of the elastic region, positions and / or distances of these markings are evaluated, i. H. Positions and / or distances of these markings in the individual optical images are determined and evaluated to calculate changes in geometry in the elastic region causing forces.

Der Festkörper (Werkstoffprobe) kann einen inelastisch verformbaren Prüfbereich und einen materialschlüssig damit verbundenen und/oder einen zusammen mit dem Prüfbereich einstückig ausgebildeten Dynamometerbereich aufweisen. Der Dynamometerbereich ist dann derjenige Bereich des Festkörpers, der sich unter der Krafteinwirkung rein elastisch verformt und der erfindungsgemäß optisch erfasst wird.The solid body (material sample) can have an inelastically deformable test area and a material-fit connected thereto and / or a dynamometer area integrally formed together with the test area. The dynamometer area is then the area of the solid body which deforms purely elastically under the action of force and which is optically detected according to the invention.

Erfindungsgemäß können somit zwei (oder auch mehr) temperaturbeständige Markierungen im Dynamometerteil der Probe aufgebracht werden. Diese Markierungen können je nach dem verwendeten optischen Auswerteverfahren (Bildanalyseverfahren) Linien, Punkte, Kreise oder Kreuze sein, oder auch stochastisch verteilte Speckle-Muster beinhalten, wie sie beispielsweise bei den als optische Auswerteverfahren einsetzbaren Grauwertkorrelationsanalysen verwendet werden.Thus, according to the invention, two (or even more) temperature-resistant markings can be applied in the dynamometer part of the sample. Depending on the optical evaluation method used (image analysis method), these markings can be lines, points, circles or crosses, or else contain stochastically distributed speckle patterns, as used, for example, in gray scale correlation analyzes which can be used as optical evaluation methods.

Die Breite des Dynamometerbereichs ist dabei in der Regel deutlich größer zu wählen als die Breite des vorbeschriebenen Prüfbereichs, um im Dynamometerbereich bis zum Bruch der Probe im Prüfbereich ausschließlich linear-elastische Verformungen zu erhalten.The width of the dynamometer range is generally much greater than the width of the test area described above, in order to obtain exclusively linear-elastic deformations in the dynamometer area until the sample breaks in the test area.

Für die Aufzeichnung können Videokameras, bei Hochgeschwindigkeitsversuchen insbesondere Hochgeschwindigkeits-Videokameras als optische Messgeräte eingesetzt werden, alternativ dazu sind jedoch auch optische Extensometer einsetzbar. Bei Zugversuchen (insbesondere: Hochgeschwindigkeits-Zugversuchen) kann somit erfindungsgemäß eine Verlängerung als Funktion der Belastungszeit aufgezeichnet werden. Aus diesen Aufzeichnungen können nach der Belastung Verlängerungskurven erstellt werden, die die zeitabhängige Verlängerung über das Belastungsintervall darstellen. Wesentlich hierbei ist, dass die entsprechenden Geometrieänderungen in hoher örtlicher- und/oder zeitlicher Auflösung erfasst werden; dies ist insbesondere bei Einsatz von Hochgeschwindigkeits-Videokameras mit Bildaufnahmeraten von mindestens 10.000 Bildern pro Sekunde, bevorzugt mit mindestens 100.000 Bilden pro Sekunde, sichergestellt, wobei in der Regel gleichzeitig eine hinreichend große Ortsauflösung bzw. eine hinreichend grosse Anzahl von Bildpunkten (Pixeln) erforderlich ist (von z. B. 100 Pixeln in Messrichtung), um eine ausreichende Messgenauigkeit zu erzielen. Auch andere optische Messverfahren wie beispielsweise laseroptische Verfahren sind bei ausreichender Orts- und Zeitauflösung geeignet.Video cameras can be used for recording, high-speed video cameras in particular can be used as optical measuring devices, but alternatively optical extensometers can also be used. In the case of tensile tests (in particular: high-speed tensile tests), an elongation as a function of the loading time can thus be recorded according to the invention. From these records, extension curves can be created after the load, representing the time-dependent extension over the loading interval. It is essential here that the corresponding changes in geometry are recorded in high spatial and / or temporal resolution; This is especially when using high-speed video cameras with image acquisition rates of at least 10,000 images per second, preferably at least 100,000 images per second, ensured, usually at the same time a sufficiently large spatial resolution or a sufficiently large number of pixels (pixels) is required (of, for example, 100 pixels in the measuring direction) in order to achieve sufficient measuring accuracy. Other optical measuring methods such as laser-optical methods are suitable with sufficient spatial and temporal resolution.

Erfindungsgemäß können somit die durch ein dynamisches und/oder schnelles Belasten der Werkstoffprobe (z. B. mit äußeren Belastungsgeschwindigkeiten bis etwa 100 m/s) bewirkten Kräfte lokal gemessen werden, wobei während dieser Belastung optische Abbilder des elastischen Dynamometer-Bereichs (also beispielsweise der Markierungen in diesem Bereich) mittels einer Kamera erzeugt werden können, die dann mittels eines Bildanalyseverfahrens, wie beispielsweise einer Grauwertkorrelationsanalyse, ausgewertet werden können. Anhand dieser Auswertung erfolgt das Berechnen der die Änderung der Geometrie im elastischen Bereich bewirkenden Kraft, in der Regel unter Verwendung eines Kalibrierfaktors, der mit wenigstens einem quasistatischen Vorversuch zu bestimmen ist.Thus, according to the invention, the forces caused by a dynamic and / or rapid loading of the material sample (eg with external loading speeds up to about 100 m / s) can be locally measured, during which load optical images of the elastic dynamometer area (that is, for example, the Markers in this area) can be generated by means of a camera, which can then be evaluated by means of an image analysis method, such as a gray value correlation analysis. On the basis of this evaluation, the calculation of the force changing the geometry in the elastic region takes place, as a rule using a calibration factor which is to be determined with at least one quasi-static preliminary test.

Die dynamischen und/oder schnellen Belastungen können in Form von Hochgeschwindigkeitsversuchen, insbesondere Hochgeschwindigkeitszugversuchen, Kerbzugversuchen, Scherversuchen und/oder Druckversuchen aufgebracht werden. Die hierfür verwendbaren Prüfeinrichtungen wie Schnellzerreissmaschinen oder Schlagwerke sind dem Fachmann grundsätzlich bekannt.The dynamic and / or rapid loads can be applied in the form of high-speed tests, in particular high-speed tensile tests, notched tensile tests, shearing tests and / or compression tests. The test equipment suitable for this purpose, such as High-speed machines or striking mechanisms are known to those skilled in principle.

Wird in quasistatischen Vorversuchen bzw. in Vorversuchen bei moderaten Belastungsgeschwindigkeiten (etwa < 0,1 m/s) zuvor an mindestens einer vergleichbar instrumentierten und belasteten Werkstoffprobe mittels konventioneller Kraftmessung (beispielsweise mit einer Kraftmesszelle der eingesetzten Prüfvorrichtung) die Geometrieänderung im Dynamometerteil gegen die eingesetzte Kraft kalibriert, also ein statischer Kalibrierfaktor ermittelt, so kann damit dann bei den eigentlichen Versuchen anhand der aufgenommenen optischen Abbilder der zeitabhängige (”lokale”) Kraftverlauf bestimmt werden. Die Kalibrierung geschieht hierbei im elastischen Dynamometerteil der Probe. Alternativ zur Bestimmung des Kalibrierfaktors ist jedoch auch die Berechnung des Kalibrierfaktors bei Kenntnis oder unter Annahme eines konstanten Elastizitätsmoduls unter Verwendung des Hooke'schen Gesetzes möglich.In quasistatic preliminary tests or in preliminary tests at moderate loading speeds (about <0.1 m / s), the geometry change in the dynamometer part against the force used is measured beforehand on at least one comparably instrumented and loaded material sample by means of conventional force measurement (for example with a load cell of the test apparatus used) calibrated, ie a static calibration factor determined, it can then be determined in the actual experiments on the basis of the recorded optical images of the time-dependent ("local") force curve. The calibration is done in the elastic dynamometer part of the sample. However, as an alternative to determining the calibration factor, it is also possible to calculate the calibration factor knowing or assuming a constant modulus of elasticity using Hooke's law.

Die Kalibrierung (bzw. die Ermittlung des vorbestimmten Kraft-Geometrieänderungs-Zusammenhangs durch statisches oder quasi-statisches Kraftbelasten des Festkörpers) erfolgt dabei vorteilhafterweise bei äußeren Belastungsgeschwindigkeiten von < 0,1 m/s.The calibration (or the determination of the predetermined force-geometry change relationship by static or quasi-static load of the solid) takes place advantageously at external load speeds of <0.1 m / s.

Beispiel: Beim Hochgeschwindigkeitszugversuch können die Positionen der optisch erfassten Markierungen mit Bildanalyseverfahren ausgewertet werden, daraus kann Bild für Bild der zeitliche Verlauf der lokalen Verlängerung im Dynamometerteil dL_D(t) und mithilfe des zuvor ermittelten Kalibrierfaktors Λ der gesuchte, lokale Kraftverlauf F(t) = Λ × dL_D(t) bestimmt werden. Aus der wie vorbeschrieben optisch erfassten Verlängerungskurve dL_D(t) im elastischen Bereich (bei Druckversuchen: Stauchungskurve) erhält man somit das für weitere Auswertungen zur Werkstoffcharakterisierung erforderliche zeitabhängige Kraftsignal F(t). (Da diese Kraft auf den Prüfquerschnitt A im dünneren Prüfteil der Probe wirkt, ergibt sich der Verlauf der technischen Spannung im Prüfteil zu σ(t) = F(t)/A.) Wegen der erfindungsgemäß durchgeführten lokalen (optischen) Messung im Dynamometerbereich des Festkörpers wird ein besonders schwingungsarmes Kraftsignal erhalten.Example: In the case of a high-speed tensile test, the positions of the optically recorded markings can be evaluated using image analysis methods. From this, image by image, the temporal course of the local extension in the dynamometer part dL _D (t) and with the aid of the previously determined calibration factor Λ, the sought-after local force curve F (t) = Λ × dL _D (t) can be determined. The time-dependent force signal F (t) required for further evaluation of the material characterization is thus obtained from the extension curve dL _D (t) in the elastic range (in compression tests: upset curve) as described above. (Since this force acts on the test cross-section A in the thinner test part of the sample, the curve of the technical tension in the test part is σ (t) = F (t) / A.) Because of the local (optical) measurement in the dynamometer range of the invention Solid body is obtained a particularly low-vibration force signal.

Neben dem Ermitteln eines schwingungsarmen Kraftsignals hat die vorliegende Erfindung insbesondere den Vorteil, dass das Verfahren auch bei stark von der Raumtemperatur abweichenden Temperaturen des Festkörpers (z. B. von deutlich oberhalb 200°C) durchgeführt werden kann. Selbstverständlich ist das erfindungsgemäße Verfahren jedoch auch bei Raumtemperatur, d. h. bei 20°C, einsetzbar.In addition to determining a low-vibration force signal, the present invention has the particular advantage that the method can also be carried out at temperatures of the solid which deviate greatly from the room temperature (for example, significantly above 200 ° C.). Of course, however, the inventive method is also at room temperature, d. H. at 20 ° C, can be used.

Um während der Belastung zusätzlich auch das Verformungsverhalten des dünneren Prüfteils der Probe bis zum Bruch zu erfassen, kann mit einem optischen Messgerät die durch die äußere Belastung bewirkte Veränderung des Abstands von im Prüfteil applizierten Markierungen aufgezeichnet werden.In order to additionally detect the deformation behavior of the thinner test part of the sample until it breaks during the load, the change in the distance of the markings applied in the test part can be recorded with an optical measuring device.

Um (insbesondere bei Hochgeschwindigkeitsversuchen) zu einer umfassenden Werkstoffcharakterisierung der Werkstoffprobe unter schnellen, dynamischen Belastungen zu kommen, kann zusätzlich noch eine Messung einer Geometrieänderung, insbesondere einer Verlängerung dL_P(t) oder Stauchung, im Prüfbereich der Probe erfolgen. Diese Messung im Prüfbereich der Probe kann vorteilhafterweise ebenfalls optisch, das heißt z. B. unter Einsatz von Hochgeschwindigkeitskameras, erfolgen.In order to arrive at a comprehensive material characterization of the material sample under fast, dynamic loads (in particular in high-speed tests), a measurement of a change in geometry, in particular an extension dL _P (t) or compression, can additionally be carried out in the test area of the sample. This measurement in the test area of the sample can advantageously also optically, that is z. B. using high-speed cameras, done.

Die erfindungsgemäße Kraftmessung kann somit mit einer Verlängerungs- oder Stauchungsmessung im Prüfbereich der Probe gekoppelt werden, um eine umfassende Werkstoffcharakterisierung zu ermöglichen, beispielsweise, um eine Kraft-Verlängerungskurve zu erhalten. Dies kann insbesondere dadurch realisiert werden, dass nicht nur der elastische Bereich der Probe optisch erfasst und ausgewertet wird, sondern gleichzeitig und bevorzugt mit derselben Hochgeschwindigkeits-Videoaufnahme auch der zeitliche Verlauf der technischen Dehnung ε(t) der Probe im Prüfbereich der Probe optisch erfasst und ausgewertet wird, indem die ermittelte Verlängerung dL_P(t) auf die Prüflänge L_o bezogen wird: ε(t) = dL_P(t)/L_o. Hierzu sind dann auch im Prüfbereich der Probe entsprechende (d. h. voneinander um L_o beabstandete) Markierungen anzubringen bzw. vorhandene Markierungen auszuwerten.The force measurement according to the invention can thus be coupled with an extension or compression measurement in the test area of the sample in order to enable a comprehensive material characterization, for example in order to obtain a force extension curve. This can be realized in particular in that not only the elastic region of the sample is optically detected and evaluated, but simultaneously and preferably with the same high-speed video recording and the time course of the technical strain ε (t) of the sample in the test area of the sample optically detected and is evaluated by the determined extension dL _P (t) is related to the test length L _o : ε (t) = dL _P (t) / L _o . For this purpose, appropriate markings (ie spaced from each other by L _o ) are also to be provided in the test area of the sample or existing markings evaluated.

Vorteilhafterweise wird somit ein sich verjüngender, nicht-reversibel verformender Prüfbereich des Festkörpers (der derselben Krafteinwirkung wie der elastische Bereich dieses Prüfkörpers unterworfen ist) ebenfalls messtechnisch erfasst, wobei dieses Erfassen vorteilhafterweise ebenso optisch erfolgt. Dann kann mit einem einzigen Hochgeschwindigkeits-Videofilm sowohl der Kraftverlauf bzw. der Spannungsverlauf σ(t) als auch der Dehnungsverlauf im Prüfbereich der Probe ε(t) gleichzeitig gemessen werden, so dass daraus beispielsweise die technischen Spannungs-Dehnungskurven σ(ε) zu einer crashrelevanten Werkstoffcharakterisierung und als Eingangsdaten für Crashberechnungen bestimmt werden können (ggfs. auch die wahren Spannungs-Dehnungskurven bei Umrechnung unter Annahme von Volumenkonstanz im Bereich der Gleichmassdehnung). Hierbei wird die Kraft auf den Ausgangsquerschnitt im Prüfbereich der Probe und die Verlängerung auf die Ausgangsmesslänge im Prüfbereich der Probe bezogen. Mit Hochgeschwindigkeitskameras mit über 100.000 Bildern pro Sekunde bei noch hinreichender Anzahl von Pixeln lassen sich hierdurch selbst bei hohen, crashrelevanten Dehnraten bzw. bei entsprechenden hohen, crashartigen Belastungsgeschwindigkeiten, beispielsweise im Bereich 20 m/s (ggf. auch darüber hinaus), hinreichend viele Abbildungen pro Sekunde als Stützpunkte zur Auswertung verlässlicher dynamischer Spannungs-Dehnungskurven gewinnen. Das erfindungsgemäße Verfahren ist dabei bei Flachzug- und Rundzugproben anwendbar; je nach Probengröße sind die Markierungen und die optischen Strahlengänge der Situation anzupassen.Advantageously, therefore, a tapered, non-reversibly deforming test area of the solid (which is subjected to the same force as the elastic area of this test specimen) is also detected metrologically, wherein this detection advantageously also takes place optically. Then with a single high-speed video film both the force curve or the voltage curve σ (t) and the strain curve in the test area of the sample ε (t) can be measured simultaneously, so that, for example, the technical stress-strain curves σ (ε) to a crash-relevant material characterization and can be determined as input data for crash calculations (if applicable also the true stress-strain curves for conversion assuming volume constancy in the region of the uniform mass expansion). The force is related to the output cross-section in the test area of the sample and the extension to the initial measuring length in the test area of the sample. High-speed cameras with more than 100,000 images per second and a sufficient number of pixels can be used even at high, crash-relevant strain rates or at high, crash-like speeds Loading speeds, for example in the range 20 m / s (possibly also beyond), sufficiently many pictures per second as bases for the evaluation of reliable dynamic stress-strain curves win. The inventive method is applicable to flat tensile and round tensile specimens; depending on the sample size, the markings and the optical paths should be adapted to the situation.

Da aus Halbzeugen oder Bauteilen entnommene Proben häufig leicht gekrümmt sind, kann es zu Biegeanteilen bei der Messung und zu unterschiedlichen Ergebnissen kommen, je nachdem, auf welcher Probenseite die Messung durchgeführt wird. Demgemäß ist es in einer weiteren vorteilhaften Variante empfehlenswert, die optische(n) Erfassung(en) der Geometrieänderung des elastischen Bereiches und/oder des Prüfbereiches der Probe auf beiden Seiten der Probe durchzuführen. Hierzu können entweder zwei Hochgeschwindigkeitskameras eingesetzt werden oder auch nur eine Hochgeschwindigkeitskamera, beispielsweise unter Verwendung von Spiegeln optischer Qualität. Im letzteren Fall werden die unterschiedlichen Seiten der Werkstoffprobe über eine bevorzugt mindestens zwei Spiegel umfassende Abbildungsoptik auf ein und dieselbe Hochgeschwindigkeitskamera abgebildet.Since samples taken from semi-finished products or components are often slightly curved, bending parts in the measurement and different results can occur, depending on which sample side the measurement is performed. Accordingly, in a further advantageous variant, it is advisable to carry out the optical detection (s) of the change in geometry of the elastic region and / or the test region of the sample on both sides of the sample. For this purpose, either two high-speed cameras can be used or only one high-speed camera, for example using mirrors of optical quality. In the latter case, the different sides of the material sample are imaged onto one and the same high-speed camera via an imaging optics which preferably comprises at least two mirrors.

Schließlich umfasst eine erfindungsgemäße Anordnung zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens eine Prüfeinrichtung zum dynamischen Belasten der Werkstoffprobe und eine bevorzugt mindestens eine Kamera (Hochgeschwindigkeitskamera) aufweisende, zum Durchführen der optischen Erfassungen und der anschließenden Berechnungen ausgebildete und angeordnete optische Erfassungs- und Auswertevorrichtung.Finally, an arrangement according to the invention for carrying out the method according to the invention comprises a test device for dynamically loading the material sample and an optical detection and evaluation device preferably having at least one camera (high-speed camera) for performing the optical detection and the subsequent calculations.

Vorteile der Erfindung:Advantages of the invention:

Gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren zur Kraftmessung bietet das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung insbesondere die folgenden Vorteile:

– Das Verfahren ist auch bei hohen und bei tiefen Temperaturen (insbesondere auch bei Temperaturen oberhalb von 200°C) einsetzbar.
– Das Verfahren bietet eine trägheitskraftfreie Kraftmessung aufgrund der „lokalen” optischen Dehnungsbestimmung im Dynamometerteil der Probe. Es sind somit schwingungsarme Kraftmessungen auch bei hohen Belastungsgeschwindigkeiten möglich.
– Wird auch die Vermessung des Prüfbereichs optisch durchgeführt, so erfolgt eine gleichzeitige Messung der Kraft- und der Prüfteildehnung direkt auf der Probe mit nur einer einzigen Hochgeschwindigkeitsvideoaufzeichnung. Dabei lässt sich das Verfahren auch auf beiden Probenseiten einsetzen, wenn entsprechend ausgerichtete Spiegel optischer Qualität verwendet werden.
– Beim erfindungsgemäßen Verfahren ist somit keine Kraftmesszelle (außer ggf. zur Kalibrierung in einem statischen Vorversuch) erforderlich und der Aufwand zur Aufbringung von Markierungen oder Speckle-Mustern auf die Probe ist sehr viel geringer als der Aufwand zur Aufbringung von Dehnungsmessstreifen.

Compared to the methods of force measurement known from the prior art, the method according to the present invention offers the following advantages in particular:

- The method can also be used at high and at low temperatures (especially at temperatures above 200 ° C).
- The method provides a non-inertial force measurement due to the "local" optical strain determination in the dynamometer part of the sample. There are thus low-vibration force measurements possible even at high load speeds.
- If the measurement of the test area is carried out optically, a simultaneous measurement of the force and the test piece stretch is made directly on the sample with only a single high-speed video recording. The method can also be used on both sides of the sample, if appropriately aligned mirrors of optical quality are used.
In the method according to the invention, therefore, no force measuring cell (except, if necessary, for calibration in a static preliminary test) is required and the effort for applying markings or speckle patterns to the sample is much less than the expenditure for applying strain gauges.

Ausführungsbeispiele:EXAMPLES

Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels (1 und 2) sowie anhand einer Variante desselben (3) im Detail anhand von Zugversuchen beschrieben.Hereinafter, the present invention is based on an embodiment ( 1 and 2 ) and a variant of the same ( 3 ) described in detail on the basis of tensile tests.

Dabei zeigt:Showing:

1 eine erfindungsgemäß verwendbare Werkstoffprobe samt aufgebrachter Markierungen. 1 an inventively usable material sample together with applied markings.

2 das Prinzip der Abtastung dieser Werkstoffprobe durch eine Hochgeschwindigkeits-Videokamera sowie die aus der Auswertung der abgetasteten Bilddaten ermittelbaren Zusammenhänge. 2 the principle of scanning this material sample by a high-speed video camera as well as the determinable from the evaluation of the sampled image data relationships.

3 eine Variante des in den 1 und 2 gezeigten Verfahrens, bei der eine beidseitige Probenabtastung erfolgt. 3 a variant of the in the 1 and 2 shown method in which a two-sided sample scanning takes place.

1 zeigt eine zum Durchführen eines erfindungsgemäßen Verfahrens geeignete Werkstoffprobe 1, hier beispielsweise aus Aluminium. Die Werkstoffprobe 1 ist einstückig und als länglicher Probenkörper ausgebildet und weist an ihren beiden gegenüberliegenden Längsenden 1a und 1b zwei verdickte Abschnitte auf, die zur Einspannung in eine Hochgeschwindigkeits-Zugprüfvorrichtung ausgebildet sind. Das hier oben liegende Ende 1a ist dabei zum Einspannen in die feststehende Probeneinspannung 8a (2) der Prüfvorrichtung ausgebildet (feststehender Einspannbereich 1a), das hier unten abgebildete, gegenüberliegende Ende des Probenkörpers 1 (beschleunigter Einspannbereich 1b der Probe) zum Einspannen in die beschleunigte Probeneinspannung 8b der Prüfvorrichtung. 1 shows a suitable material for performing a method according to the invention material sample 1 , here for example made of aluminum. The material sample 1 is integral and designed as an elongate specimen and has at its two opposite longitudinal ends 1a and 1b two thickened sections, which are designed for clamping in a high-speed tensile tester. The end up here 1a is to clamp in the fixed Probeneinspannung 8a ( 2 ) of the test device formed (fixed clamping area 1a ), the opposite end of the specimen shown here below 1 (accelerated clamping area 1b the sample) for clamping in the accelerated Probeneinspannung 8b the tester.

Zwischen den beiden Enden 1a, 1b liegen zwei weitere Bereiche der Werkstoffprobe 1, der mit demselben Querschnitt wie der feststehende Einspannbereich 1a ausgebildete und an letzteren unmittelbar angrenzende Dynamometerbereich 2 der Werkstoffprobe 1 und der sich daran (also auf der gegenüberliegenden Seite des feststehenden Einspannbereichs 1a an den Dynamometerbereich 2) unmittelbar anschließende Prüfbereich 3 bzw. der Prüfteil der Werkstoffprobe 1. Alle Abschnitte 1a, 2, 3 und 1b der Probe 1 sind hier zusammen als einstückiger Körper ausgebildet, also stoffschlüssig verbunden. Am dem Dynamometerbereich abgewandten Ende des Prüfteils 3 schließt sich somit der beschleunigte Einspannbereich 1b der Probe an, der wiederum mit demselben Querschnitt wie die Bereiche 1a, 2 der Probe ausgebildet ist. Demgegenüber verjüngt sich der Prüfbereich 3 zur Mitte zwischen den beiden angrenzenden Bereichen 1b, 2 hin, weist dort also einen deutlich verringerten Querschnitt auf. Durch diesen deutlich verringerten Querschnitt kann der Prüfbereich 3 der Probe auch über das Erreichen der Streckgrenze hinaus verformt werden (plastische Verformung), ohne dass es im Dynamometerbereich 2 zu einer plastischen Verformung der Probe kommt.Between the two ends 1a . 1b There are two further areas of the material sample 1 , which has the same cross-section as the fixed clamping area 1a trained and to the latter immediately adjacent Dynamometerbereich 2 the material sample 1 and on it (ie on the opposite side of the fixed clamping area 1a to the dynamometer area 2 ) immediately following test area 3 or the test part of the material sample 1 , All sections 1a . 2 . 3 and 1b the sample 1 are here together one-piece body formed, so connected cohesively. At the end of the test part facing away from the dynamometer area 3 thus closes the accelerated clamping area 1b the sample, in turn, with the same cross section as the areas 1a . 2 the sample is formed. In contrast, the test area is tapering 3 to the middle between the two adjacent areas 1b . 2 There, therefore, there has a significantly reduced cross-section. Due to this significantly reduced cross section, the test area 3 The sample will also be deformed beyond reaching the yield point (plastic deformation), without it in the dynamometer area 2 leads to a plastic deformation of the sample.

Mit anderen Worten bleibt auch bei einer plastischen Verformung der Probe im Prüfbereich 3 die elastische Verformung der Probe im Dynamometerbereich erhalten.In other words, even with a plastic deformation of the sample in the test area 3 obtained the elastic deformation of the sample in the dynamometer area.

1 zeigt zwei strichförmige Markierungen 4a, 4b, die entlang der Längsachse der Probe 1 im Dynamometerbereich 2 der Probe beabstandet voneinander angeordnet sind. Da sich die Probe 1 im Dynamometerbereich 2 rein elastisch verformt, können diese beiden Markierungen 4a, 4b bzw. deren sich bei veränderter Zugbelastung verändernde Positionen, insbesondere deren sich verändernder Abstand dazu verwendet werden, wie vorbeschrieben erfindungsgemäß auf optischem Weg die Längen- bzw. Geometrieänderung im Bereich 2 zu erfassen und daraus anhand des Kraft-Längenänderungs-Zusammenhangs die gesuchte Kraft zu berechnen. 1 shows two line-shaped markings 4a . 4b along the longitudinal axis of the sample 1 in the dynamometer area 2 the sample are spaced from each other. As is the sample 1 in the dynamometer area 2 deformed purely elastically, these two marks can 4a . 4b or whose changing in a different tensile load positions, in particular their changing distance are used as described above according to the invention by optical means the length or geometry change in the field 2 to capture and to calculate the force sought on the basis of the force-length change relationship.

Ebenso sind auf derselben Seite der Probe, jedoch zentral im Verjüngungsabschnitt des Prüfbereichs 3 der Probe, zwei weitere Markierungen 5a, 5b beabstandet voneinander und entlang der Längsachse der Probe 1 auf den Probenkörper aufgebracht. Diese beiden Markierungen 5a, 5b werden zur weiteren optischen Dehnungsbestimmung (Verlängerungsmessung) im Prüfungsbereich 3 der Probe ebenfalls optisch erfasst.Likewise, on the same side of the sample, but centrally in the rejuvenation section of the test area 3 the sample, two more marks 5a . 5b spaced from each other and along the longitudinal axis of the sample 1 applied to the specimen. These two marks 5a . 5b are used for further optical strain determination (extension measurement) in the test area 3 the sample also optically detected.

Um die Veränderungen der Positionen und/oder der Abstände der Markierungen 4a, 4b, 5a, 5b zu erfassen und auszuwerten, wird eine Hochgeschwindigkeitskamera 6 (in 1 nicht gezeigt, vergleiche 2) so angeordnet und auf die Probe 1 ausgerichtet, dass deren Bildfeld sowohl den Dynamometerbereich 2 (also die Markierungen 4a, 4b) als auch den Prüfbereich 3 (also die Markierungen 5a, 5b) erfasst. Wie vorbeschrieben wird der mit möglichst hoher Bildrate (> 10.000 Bilder pro Sekunde) bei noch hinreichend hoher Pixelanzahl aufgenommene Hochgeschwindigkeits-Videofilm dann mittels eines Bildanalyseverfahrens, bzw. bei Verwendung von Speckle-Markierungen auf Basis der Grauwertkorrelationsanalyse ausgewertet.To the changes of the positions and / or the distances of the markings 4a . 4b . 5a . 5b to capture and evaluate, becomes a high-speed camera 6 (in 1 not shown, compare 2 ) so arranged and put to the test 1 aligned so that their field of view both the dynamometer area 2 (ie the marks 4a . 4b ) as well as the test area 3 (ie the marks 5a . 5b ) detected. As described above, the high-speed video film recorded with the highest possible frame rate (> 10,000 images per second) with a still sufficiently high number of pixels is then evaluated by means of an image analysis method or using speckle markings on the basis of the gray value correlation analysis.

Die insbesondere bei Speckle-Markierungen vorteilhaft einsetzbare und hier beispielhaft beschriebene Grauwertkorrelationsanalyse als optisches Messverfahren, mit dem lokale Veränderungen beispielsweise einer Oberfläche, die durch mechanische Beanspruchung verursacht wurden, anhand der Grauwertverteilung von Bildaufnahmen der Oberfläche zu unterschiedlichen Beanspruchungszuständen verfolgt, gespeichert und qualitativ und quantitativ ausgewertet werden können, ist dabei dem Fachmann bekannt: Für (digitalisierte) Bilder verschiedener Zustände lässt sich mit einem Algorithmus, der auf der Anwendung der Kreuzkorrelationsfunktion beruht, ein zwischen den Zuständen bzw. Bildern aufgetretenes Verschiebungsfeld ermitteln. Als Ergebnis der Korrelation erhält man eine grafische Abbildung des Verschiebungsfeldes, dargestellt als Vektorbild oder als Überlagerungsgitter; ein zugehöriges Protokoll liefert quantitative Angaben für jeden ausgewerteten Punkt (Positionen, Verschiebungen und maximale Korrelationskoeffizienten). Die Daten des Protokolls können u. a. zur quantitativen Bestimmung von Komponenten des Verzerrungssensors verwendet werden, woraus sich die gesuchten Werkstoffkennwerte wie zum Beispiel die Dehnung ableiten lassen.The greyscale correlation analysis, which can be advantageously used, in particular for speckle markings and described here by way of example, as an optical measuring method with which local changes, for example, of a surface caused by mechanical stress, are tracked, stored and evaluated qualitatively and quantitatively on the basis of the gray value distribution of image recordings of the surface In this case, the person skilled in the art is familiar with: For (digitized) images of different states, an offset field occurring between the states or images can be determined with an algorithm based on the application of the cross-correlation function. As a result of the correlation, a graphic image of the displacement field is obtained, represented as a vector image or as an overlay grating; an associated protocol provides quantitative information for each evaluated point (positions, displacements and maximum correlation coefficients). The data of the protocol can u. a. be used for the quantitative determination of components of the distortion sensor, from which the desired material properties such as the strain can be derived.

Im vorgestellten Beispiel beträgt die Längsausdehnung L_k des Dynamometerbereichs 2 ca. 30 mm und die Querschnittsausdehnung b_k dieses Bereichs ca. 35 mm. Der Abstand der Markierungen 4a, 4b beträgt z. B. 20 mm. Der Abstand a der beiden Markierungen 5a, 5b im Prüfbereich 3 beträgt hier 20 mm. Die gesamte Länge L_t der Probe beträgt hier ca. 150 mm.In the example presented, the longitudinal extent L _{k of} the dynamometer area 2 about 30 mm and the cross-sectional dimension b _{k of} this range about 35 mm. The distance of the marks 4a . 4b is z. B. 20 mm. The distance a of the two marks 5a . 5b in the test area 3 here is 20 mm. The total length L _{t of} the sample here is about 150 mm.

1 zeigt somit, wie erfindungsgemäß eine Flachzug-Probe für Hochgeschwindigkeitszugversuche auf Basis von im Dynamometerteil 2 aufgebrachten Markierungen 4a, 4b, verwendet werden, also zur lokalen optischen Kraftmessung eingesetzt werden kann, wobei hier auch die Dehnungsmessung im Prüfbereich 3 der Probe 1 optisch erfolgt. 1 Thus, as shown in the invention, a flat tensile specimen for high-speed tensile tests based on the dynamometer part 2 applied markings 4a . 4b , so can be used for local optical force measurement, here also the strain measurement in the test area 3 the sample 1 optically.

2 skizziert eine erfindungsgemäße Anordnung, die zum Durchführen eines Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung, also beispielsweise zur in 1 skizzierten optischen Abbildung ausgebildet ist. Die Anordnung umfasst zunächst eine hier lediglich angedeutete Prüfeinrichtung mit einer feststehenden Probeneinspannung 8a, in der der Abschnitt 1a der in 1 gezeigten Probe nahezu unbeweglich fixiert wird (2, Mitte oben). Die Prüfeinrichtung umfasst darüber hinaus eine hier ebenfalls lediglich angedeutete beschleunigte Probeneinspannung 8b (2, Mitte unten), in der der Abschnitt 1b der Probe 1 beweglich fixiert wird und wo die dynamischen Belastungen durch eine geeignete Belastungsvorrichtung eingeleitet werden. 2 outlines an arrangement according to the invention, which is for carrying out a method according to the present invention, that is, for example, in. In 1 sketched optical image is formed. The arrangement initially comprises a test device only indicated here with a fixed sample clamping 8a in which the section 1a the in 1 sample is immobilized almost immovably ( 2 , Middle top). The testing device also includes an accelerated sample clamping, which is also merely indicated here 8b ( 2 , Middle bottom), in which the section 1b the sample 1 movably fixed and where the dynamic loads are introduced by a suitable loading device.

Des weiteren umfasst die Anordnung eine Hochgeschwindigkeits-Videokamera 6, die so ausgebildet und angeordnet ist (ggf. mit zusätzlichen, hier nicht im Einzelnen beschriebenen Optiken), dass sowohl der Prüfbereich 3, als auch der Dynamometerbereich 2 der Probe 1 gleichzeitig und mit sehr hoher Zeitauflösung bzw. Bildrate bei hinreichender Pixelanzahl optisch erfasst werden kann. Die Anordnung umfasst schließlich eine mit der Hochgeschwindigkeits-Videokamera zum bidirektionalen Datenaustausch verbundene Auswertevorrichtung 9 (beispielsweise ein Rechnersystem), mit der die vorbeschriebene Grauwertkorrelationsanalyse der mit der Kamera 6 erfassten Positionen 4a, 4b, 5a, 5b möglich ist. Die Elemente 6 und 9 der Prüfeinrichtung bilden (ggf. samt weiterer zur mehrseitigen Abbildung verwendeter optischer Elemente 7a, 7b, vergleiche 3) die Erfassungs- und Auswertevorrichtung der Anordnung. Furthermore, the arrangement comprises a high-speed video camera 6 , which is designed and arranged (possibly with additional, not described here in detail optics) that both the test area 3 , as well as the dynamometer area 2 the sample 1 can be optically detected simultaneously and with a very high time resolution or frame rate with a sufficient number of pixels. The arrangement finally comprises an evaluation device connected to the high-speed video camera for bidirectional data exchange 9 (For example, a computer system), with the above-described gray scale correlation analysis with the camera 6 recorded positions 4a . 4b . 5a . 5b is possible. The Elements 6 and 9 form the test device (possibly together with other used for multi-page imaging optical elements 7a . 7b , compare 3 ) the detection and evaluation device of the arrangement.

Wie 2 rechts oben zeigt, lässt sich mit hier im Einzelnen nicht beschriebenen Bildanalyseverfahren, ggfs. der Grauwertkorrelationsanalyse, aus den optisch erfassten Positionen der Markierungen 4a, 4b die Veränderung der technischen Zugspannung σ(t) während der Zugbelastung mit hoher zeitlicher Auflösung bestimmen. Ebenso lässt sich anhand der mit den einzelnen Kamerabildern aufgenommenen Positionen der Markierungen 5a, 5b mit Bildanalyseverfahren, ggfs. mit der Grauwertkorrelationsanalyse, die zeitliche Veränderung der Dehnung ε(t) der Werkstoffprobe 1 im Prüfbereich 3 mit hoher zeitlicher Auflösung bebestimmen. 2 rechts unten skizziert dann die aus diesen beiden Kurven σ(t) und ε(t) gewonnene Spannungs-Dehnungskurve σ(ε).As 2 top right shows, can be described here with detail not described image analysis method, if necessary, the gray value correlation analysis, from the optically detected positions of the markers 4a . 4b determine the change of the technical tension σ (t) during the tensile load with high temporal resolution. Likewise, it can be based on the recorded with each camera images positions of the markers 5a . 5b with image analysis method, if necessary with the gray value correlation analysis, the temporal change of the strain ε (t) of the material sample 1 in the test area 3 determine with high temporal resolution. 2 at the bottom right, the stress-strain curve σ (ε) obtained from these two curves σ (t) and ε (t) is sketched.

2 zeigt somit das erfindungsgemäße Prinzip der Messtechnik für Hochgeschwindigkeits-Zugversuche mit schwingungsarmer lokaler optischer Kraft- und Dehnungsmessung. 2 thus shows the inventive principle of measurement technology for high-speed tensile tests with low-vibration local optical force and strain measurement.

3 zeigt eine Variante der vorliegenden Erfindung, bei der das Ermitteln der vorgenannten Größen ε, σ auf zwei gegenüberliegenden Seiten der Probe 1 erfolgt. Vorgehensweise und Anordnung sind hier grundsätzlich wie vorstehend zu den 1 und 2 beschrieben, so dass nachfolgend nur die Unterschiede beschrieben werden. 3 shows a variant of the present invention, in which the determination of the aforementioned sizes ε, σ on two opposite sides of the sample 1 he follows. The procedure and arrangement are basically the same as above 1 and 2 described below, so that only the differences are described below.

Um auf zwei gegenüberliegenden Seiten der Probe 1 jeweils sowohl Dehnungswerte ε, als auch technische Zugspannungswerte σ bestimmen zu können, sind hier auf diesen beiden Seiten der Probe jeweils Spiegelanordnungen 7a, 7b angeordnet, die so ausgerichtet werden, dass von beiden gegenüberliegenden Seiten der Probe jeweils ein Prüfbereich und ein Dynamometerbereich der Probe von der einzigen Hochgeschwindigkeitskamera 6 erfasst werden können. So werden der Prüfbereich und der darüberliegende Dynamometerbereich der ersten Seite S1 der Probe 1 über die Spiegelanordnung 7a in den Aufnahmebereich der Kamera 6 abgebildet und der Prüfbereich samt des benachbarten Dynamometerbereichs der gegenüberliegenden, zweiten Probenseite S2 über die Spiegelanordnung 7b. Die Abbildung muss dabei so erfolgen, dass die beiden gegenüberliegenden Seiten der Probe auf getrennte Bildabschnitte der Bilderfassungseinheit der Kamera 6 abgebildet werden, so dass bei der Auswertung die Lage der einzelnen Markierungen getrennt werden kann. Bei hinreichender Übereinstimmung der Ergebnisse beider Seiten (innerhalb von etwa ±10%) können die Signale gemittelt und als Ergebnis verwendet werden. Bei stärkeren Abweichungen beider Signale ist die Ursache (z. B. überlagerte Biegeanteile) zu lokalisieren und zu beheben.To on two opposite sides of the sample 1 In each case both elongation values ε, as well as technical tensile stress values σ to be able to determine, are here each mirror arrangements on these two sides of the sample 7a . 7b arranged so that from both opposite sides of the sample each have a test area and a dynamometer area of the sample from the single high-speed camera 6 can be detected. Thus, the test area and the overlying dynamometer area of the first side S1 become the sample 1 over the mirror arrangement 7a in the shooting range of the camera 6 and the test area together with the adjacent dynamometer area of the opposite, second sample side S2 via the mirror arrangement 7b , The image must be made so that the two opposite sides of the sample on separate image sections of the image acquisition unit of the camera 6 be imaged so that the evaluation of the position of the individual markers can be separated. With sufficient agreement of the results of both sides (within about ± 10%) the signals can be averaged and used as a result. In the case of greater deviations of both signals, the cause (eg superimposed bending components) must be localized and eliminated.

3 zeigt somit eine erfindungsgemäße Anordnung für eine zweiseitige optische Kraft- und Dehnungsmessung bei Hochgeschwindigkeitszugversuchen, mit deren Hilfe auch Biegeanteile mit nur einer Hochgeschwindigkeitskamera erfasst werden können. 3 Thus, an inventive arrangement for a two-sided optical force and strain measurement in high-speed tensile tests, with the help of which bending parts can be detected with only one high-speed camera.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

EP 1466157 B1 [0004, 0006]

Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

W. Böhme: FAT guideline "Dynamic Material Characteristics for Crash Simulation", Journal Materials Testing, Materials Testing, Carl Hanser Verlag, Munich, Vol. 50 (4), pp. 199-205, 2008 [0005]
Stahl-Eisen-Prüfblatt 1230 "Determination of mechanical properties of sheet materials at high strain rates in high-speed tensile tests", Stahlinstitut VDEh, Dusseldorf, first edition, 2007; DIN EN ISO 26203-2: 2009 [0005]

Claims

Method for optical force measurement, wherein an elastically deformable and / or an elastically deforming region ( 2 ) of a solid ( 1 ) is subjected, by the action of a force, to a change in its geometry, the change in the geometry of the region caused by the action of the force ( 2 ) and wherein the force causing the change of the geometry is calculated on the basis of a predetermined, preferably one-to-one force-geometry change relationship from the optically detected change of the geometry.

Method for optical force measurement according to the preceding claim, characterized in that the optically detected change in geometry involves a reversible change in length, in particular an extension or a shortening, of the region ( 2 ) and / or that the predetermined force-geometry change relationship is a relationship between a force and a caused by this force, reversible change in length of the elastically deformable and / or elastically deforming region ( 2 ) and / or Hooke's Law, or that the optically detected geometry change is a reversible rotation, distortion and / or shear of the region ( 2 ).

Method for optical force measurement according to one of the preceding claims, characterized in that over a predefined time interval the momentary state of the geometry of the region (in each case caused by a time-varying, acting force) ( 2 ) is optically detected and that in each case the instantaneous state of the geometry causing momentarily acting force is calculated from the optically detected instantaneous state of the geometry based on the predetermined force-geometry change relationship (calculation of the time-dependent force signal).

Optical force measurement method according to one of the preceding claims, characterized in that the optical detection takes place in the region ( 2 ) at least two markings ( 4a . 4b ) are spaced apart from each other or by at least two spaced-apart structures of the area ( 2 ) as such markings ( 4a . 4b ) can be used by these markers ( 4a . 4b ) are respectively imaged optically at different acting forces and in that different geometric states, in particular lengths, of the region (in 2 ) of the solid ( 1 ) reflect optical positions and / or distances of these markings ( 4a . 4b ) are evaluated to calculate a change in the geometry of the solid ( 1 ) effecting force.

Optical force measurement method according to one of the preceding claims, characterized in that the solid state ( 1 ) is a material sample that has a test area ( 3 ) and as an elastically deformable and / or deforming area ( 2 ) one with this check area ( 3 ) dynamically connected and / or integrally formed Dynamometerbereich, wherein the dynamometer area is formed so that it is purely elastically deformable under the action of the force and / or purely elastically deformed, and wherein the dynamometer area is optically detected, preferably optically imaged.

Method for optical force measurement according to one of the preceding claims, characterized in that the optical detection and / or imaging by means of a camera ( 6 ), in particular a high-speed camera with an image acquisition rate of at least 10,000 images / s, preferably at least 100,000 images / s, is performed and / or that the optical detection using a laser optical method and / or an optical extensometer, in particular a laser extensometer is performed ,

Method for optical force measurement according to one of the preceding claims, characterized in that optical images of the elastically deformable and / or elastically deforming region ( 2 ), in particular in this area ( 2 ) ( 4a . 4b ), preferably by means of a camera ( 6 ) and are evaluated by means of an image analysis method, in particular a gray value correlation analysis, for calculating the change in the geometry of the solid ( 1 ) causing force and / or that the markings ( 4a . 4b ) Are lines, points, circles, crosses and / or stochastically distributed patterns, preferably speckle patterns.

Method for optical force measurement according to one of the preceding claims, characterized in that the action of the force by a dynamic, rapid loading of the solid ( 1 ), in particular by loading the solid ( 1 ) with an external loading speed of greater than 1 m / s, preferably greater than 10 m / s, preferably in the range of 10 m / s to 100 m / s, is realized and / or realized by the solid state ( 1 ) is subjected to a high-speed test, in particular a high-speed tensile test, a notch tensile test, a shear test and / or a compression test.

Method for optical force measurement according to one of the preceding claims, characterized in that the predetermined force-geometry change relationship by a static or quasi-static load of the solid body ( 1 ), in particular by loading the solid ( 1 ) is determined with an external loading speed of less than 0.2 m / s, preferably of less than 0.05 m / s, with different sized forces and by determining the respectively associated change in its geometry.

Method for optical force measurement according to one of the preceding claims, characterized in that the method is at room temperature or at a temperature of the solid ( 1 ) from above + 200 ° C, in particular from above + 400 ° C, is carried out and / or that the action of the force takes place and the solid state ( 1 ) is designed so that the area ( 2 ) of the solid ( 1 ) purely elastic and completely reversibly deformed.

Optical force measurement method according to one of the preceding claims, characterized in that a further region ( 3 ) of the solid ( 1 ), preferably a tapered test area of the solid ( 1 ), is also subjected to the action of this force and that a deformation caused by this force action, in particular a stretching, an elongation or a shortening, of the further area ( 3 ) is detected.

Method for optical force measurement according to the preceding claim, characterized in that the further region ( 3 ) is formed and shaped in such a way that under the action of this force it deforms non-elastically, non-reversibly, in particular stretches, lengthens or shortens, and / or that the deformation of the further region ( 3 ) is detected optically, in particular in the same way and / or with one and the same camera ( 6 ) As in the elastically deformable and / or elastically deforming region ( 2 ) is detected optically, or is detected by means of a strain gauge.

Method for optical force measurement according to one of the two preceding claims, characterized in that based on the detection of the elastically deformable and / or elastically deforming region ( 2 ) and the detection of the wider area ( 3 ) solid-specific characteristics and / or flow curves, in particular for the description of the deformation and / or failure behavior suitable characteristic values and / or flow curves, and / or stress-strain curves of the solid ( 1 ).

Method for the optical force measurement according to one of the preceding claims, characterized in that on two different sides (S1, S2), in particular on two opposite sides, of the solid ( 1 ) each one caused by the action of a force, preferably one and the same force, change in the geometry of an elastically deformable and / or elastically deforming region ( 2 ) is detected optically, wherein preferably the different sides (S1, S2) over a preferably at least two mirrors ( 7a . 7b ) comprehensive imaging optics on a single camera ( 6 ), in particular a high-speed camera, or preferably the different sides (S1, S2) are each imaged onto a separate camera, in particular in each case a separate high-speed camera.

Arrangement designed to carry out an optical force measurement method according to one of the preceding claims, comprising a test device ( 8a . 8b ) for dynamically loading the material sample, in particular a device for carrying out high-speed tests, and a preferably at least one camera ( 6 ), in particular at least one high-speed camera, having an optical detection and evaluation device (FIG. 6 . 7a . 7b . 9 ).