Materialprovningsmaskiners dynamik

Transkript

1 UTMIS årsmöte Linköping 3-31/1, 28 Materialprovningsmaskiners dynamik Utmattningsprovning Jan Peter Hessling SP Sveriges Tekniska Forskningsinstitut, Mätteknik Support och diskussioner: Gunnar Kjell, Åke Larsson, Thomas Svensson SP Andy Knott NPL, GB Ernie Doebelin, Ohio State Univ. USA Aimo Pusa, Raute Prec. Finland

2 Bakgrund

3 Materialprovningsmaskin Mätosäkerhet - Kalibrering Ofta konstant last (ISO75) Lastcell (kraftmätning) Övre grepp Provobjekt Kontrollpanel Undre grepp Ram Aktuator Upplag / stöd

4 Utmattningsprovning förutsättningar Livslängd / förändring upprepade lastförändringar Material / utformning Beror på: last Lastamplitud vid vändpunkter Antal cykler Beror ej på: Lastvariationer mellan vändpunkter Snabbhet, snabb relaxation i material Tidskrävande många cykler krävs => Höghastighetsprovning (maskin) hög signalbandbredd tid

5 Mätosäkerhet utmattningslivslängd (1) Livslängdens (T) beroende av lastamplitud (F): T α F, α [ 3,1]? Relativ mätosäkerhet, last till livslängd : u T = u F ( ) ( ) ) α α 1+ uf 1, 1 uf 1 ± α uf Mätosäkerheten förstärks (approx.) med exponenten för utmattning! u T Ex. (ISO 75-1:1999) Konstant! last u L = 1% u α = 8 T = ± 8%

6 Dynamiska effekter Rimlig provtid => höghastighetsprovning / hög signalbandbredd Maskinens tröghet dynamiska effekter NPL 1995:

7 Dynamisk mätosäkerhet utmattningslivslängd (2) Livslängdens (T) beroende av lastamplitud (L): T α F, α [ 3,1]? Relativ mätosäkerhet, last till livslängd : u T = u F ( 1+ ) 1, ( 1 ) 1) α α u u F Mätosäkerheten förstärks (approx.) med exponenten för utmattning! F u T Ex. (NPL, Dynamiska effekter) Variabel last, bandbredd ~4 Hz u F = 1% u α = 8 T = ( 53, + 13)%

8 Relevans av materialprovningsmaskinens dynamiska egenskaper vid utmattningsprovning 1. Rimlig tid för provning Resultat: Höghastighetsprovning (3-5 Hz?) Dynamiska effekter betydande Stor ökning av mätosäkerhet 1? 2. Mätosäkerheten förstärks med exponent för livslängd Möjligt med mycket stor(!) mätosäkerhet (~5%). OK, relativa jämförelser med samma provstyvhet lastvariation - Deterministiska fel! Bestämd livslängd trovärdig? Stor ökning av mätosäkerhet 1?

9 Relevans av dynamiska effekter Dynamisk kalibrering / utvärdering ev. nödvändig vid utmattningsprovning! Standardisering ASTM E a Revision av ISO 4965 Begränsad tillämpbarhet

10 Dynamisk utvärdering

11 Vibrationsanalys H MECH Dynamic calibration of uni-axial material testing machines, Hessling J P 28 Dynamic calibration of uni-axial material testing machines Mech. Sys. Sign. Proc., 22 No

12 Frekvensrespons Överordnad variation Resonanseffekt i begränsat intervall Montering mot golv / fast punkt: H ω/ω H ζ=[ ] H ω/ω ω/ω ζ=[.1] arg(h) (deg) ω/ω Tillgängligt band med hydrauliska kraftaktuatorer arg(h) (deg) ω/ω arg(h) (deg) ω/ω

13 Beroende av provobjektets styvhet (opubl.) Mätning (NPL) Vibrationsmodell (SP) k 3 = δ H (iω) k 3 =1/1 k 3 =1/1 k 3 =1/5 k 3 =1 k 3 =1/2 k 3 =1/3 k 3 =1/ ω

14 Beroende av styvhet för provobjekt (opubl.) Orsak dynamiskt fel: Tröghet massa ( övre grepp ) mellan provobjekt och lastcell Mjukt upplag / stöd! 3. Kritisk styvhet Dynamiskt fel Mycket hög bandbredd Övre grepp stillastående, Ram och undre grepp i motfas: 1. Hög relativ styvhet prov Dynamiskt fel > (Lastcell visar för mycket) Upper grip Lower grip Frame 2. Låg styvhet prov Dynamiskt fel < (Lastcell visar för litet) Coordinate excursions ω

15 Karaktärisering and identifiering / Modellanpassning Kan variera med installation, upplag, golv etc.! => Utvärdering bör göras på plats! H arg(h) (deg) f(hz) Meas FB 4BR f(hz) Model number of base resonances ( FB ) ( 4BR ) Machine resonance freq. (Hz) Machine damping (%) Base resonance freq. (Hz) Residual target function (model error) 22e-5 4.8e-5 3.4e-5 3.4e-5 3.3e-5

16 Uppskattning av fel / mätosäkerhet bandbredd Om bandbredden är mindre för signalen än för maskinen är det dynamiska felet acceptabelt Fixed base (FB) Flexible base (4BR) 1.4 δ H max (%) f(hz)

17 Korrigering!

18 Konsekvens av reducerat fel Reduktion av dynamiskt fel i mätt signal Högre bandbredd maskin Lägre kostnad Högre tillåten bandbredd signal Pålitligare resultat Hastigheten vid provning kan höjas (kort relaxationstid material) Kortare provtid Högre precision Fler prov

19 Metoder för dynamisk korrektion 1. Subtraktion av fel, extra givare Accelerometer övre grepp / INSTRON Dynacell 1. Kräver förändring av maskinuppställning 2. Tidigare resultat kan inte användas 2. Dynamisk kalibrering, analys, numerisk metod för korrigering Frekvensdomän (frekvensrespons) Tidsdomän (impulssvar) Digitala filter 1. Kräver ingen förändring av maskinuppställning 2. Tidigare result kan användas om dynamisk kalibrering finns 3. Ej begränsat mekanik, elektriska egenskaper etc. kan inkl. Generell! 4. Enkel användning, komplexitet / svårighet vid kalibrering 5. Filter kan bestämmas vid kalibrering med generella metoder 6. Kan paketeras / döljas i datorprogram

20 Ex. Dynamisk korrektion of kraftgivarsystem 1. Avbildning analogt till digitalt (ex.): z k p k = = exp exp ( ~ pkts ) ( ~ z T ) k S 1 2. Annihilering: Transducer (TD) Filter (A) 3. Brusfilter (N) 4. Syntes digitalt korrektionsfilter Imaginary Part N N T N A N A A N A N T N Real Part

21 Ex. Dynamisk korrektion of kraftgivarsystem Förbättrad frekvensrespons Abs(H) (db) ω H ω F η H M G C F ω/ω C 5 Arg(H) (Deg) G C H M F ω/ω C

22 Ex. korrektion of kraftgivarsystem Verifiering med simulering (triangelpuls) 1.8 T T+A Corr Err Time(s)*f C (Hz)

23 Generell dynamisk utvärdering

24 Dynamisk metrologi Karaktärisering / Dynamisk kalibrering => Komplett dynamisk beskrivning Systemidentifiering => Dynamisk modell Fel/osäkerhets uppskattning => Avvikelse uppmätt och fysiskt värde System optimering => Reducerat fel Dynamisk korrektion => Eliminering(?) av fel?????

25 Vidare utveckling, tjänster Kan erbjuda dynamisk utvärdering av provmaskiner på plats! Prototyputvärdering utanför standard (finns ej) Viktig för verifiering och vidare utveckling Kan utmynna i förslag / förändringar internationell standard Söker samarbete allmänt med användare / utvecklare Kontakt med standariseringsgrupp (ISO 4965) etablerad Följer utveckling Utför Mätningar Karaktärisering Identifiering Uppskattning av fel / osäkerheter Framtagande av korrektionsmetod Diskussion optimering / kritiska aspekter Övriga dynamiska problem vid användande av provmaskiner? Välkomnar övriga dynamiska tillämpningar

26 Sammanfattning Dynamiska fel kan ge mycket stora fel för utmattningslivslängd Kan vara olika för olika installationer men samma maskin! H f(hz) Meas FB 4BR Dynamiska fel ofta 1 ggr större än statiska (tumregel) arg(h) (deg) SP har prototypmetoder för dynamisk utvärdering och korrigering f(hz) SP kan erbjuda många tjänster för dynamisk utvärdering SP deltar och påverkar utvecklingen av dynamisk analys internationellt Tack!

27 Extra

28 Already provided by some manufacturers (2) Instron Dynacell Hardware correction Old style Simple Accurate? Correction limited to mechanical vibrations

29 Ex. Characterization (impulse) and identification of load cell and calibration bar Load cell Model: H 1 * () s = H ( 1 s p) ( 1 s p ) p = 2πf C ( ) 2 ζ ± i 1 ζ 1, Calibration bar Model: H 1 * () s = H ( 1 s p) ( 1 s p ) p = 2πf C ( ) 2 ζ ± i 1 ζ 1, 3 4 H /H (db) f(hz) H /H (db) f(hz) arg(h) (deg) f(hz) arg(h) (deg) f(hz) f = C 238 Hz ζ =. 45 % f = C ζ = 664 Hz. 9 %

30 Ex. Characterization and identification of testing machine Force response: Calibration bar => load cell Global fixed base model: H p : Local flexible base model: H p : () s () s = 2 = H H 2 4 = 8, * ( 1 s p)( 1 s p ) * ( 1 s z)( 1 s z ) * ( 1 s p)( 1 s p ) z : = 8, H arg(h) (deg) f(hz) Meas FB 4BR Total # of parameters: f(hz) Model FB 4BR Machine resonance freq. (Hz) Machine damping (%) Base resonance freq. (Hz) , 91.2, 79.3, 69.3