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Es wird die Anwendung des Objektrasterverfahrens zur Untersuchung des elastischen und inelastischen, anisotropen und inhomogenen Verformungsverhaltens parallelepipedischer, metallischer Einkristall-Zugproben im Ergebnis unterbrochener Belastungsstufen von ca. 0,01%, 0,05%, 0,10% und 0,20% Restdehnung beschrieben. Diese Vorgehensweise ermöglicht die gleichzeitige Bestimmung aktivierter Gleitsysteme mit einem optischen Nano-Topografiesystem nach der Weißlichtinterferenzmethode. Aus den Verformungsdaten im elastischen Bereich können flächen- und richtungsabhängige Materialkennwerte ermittelt werden.
A special grating method has been applied for three-dimensional investigation of elastic and inelastic, anisotropic and inhomogeneous deformation of parallelepipedal metallic single crystal specimen by interrupted tensile tests in steps of 0,01%, 0,05%, 0,10% and 0,20% residual strain. This procedure gives the ability to determine activated slip systems by white light interferometric nanoscale topometry. Elastic anisotropic material parameters of cubic crystals can be calculated from experimental data.
Ein stereo-fotogrammetrisches Messverfahren wurde zur quantitativen Analyse der Bewegungssignale eines elektrischen Multi-Sensorsystems eingesetzt. Der Vergleich von Weg- und Winkel-Zeitverläufen zeigte bereits eine recht gute Übereinstimmung, verdeutlichte jedoch auch die Notwendigkeit einer weiterzuentwickelnden Kalibriermethodik. Die Stereo-Videogrammetrie hat sich als Referenzverfahren zur Analyse und Validierung dreidimensional ausgelegter elektrischer Bewegungssensorik für den Nahbereich bewährt.
In Chap. 1 of this book, the term Technical Diagnostics has been introduced as the examination of symptoms and syndromes to determine the nature of faults or failures of technical objects. Their characteristics in different technological areas may be of very different nature. One of them is the reaction of technical objects to deform under loads. Those loads may be induced by external forces or thermal fields resulting in mechanical or thermal stresses, respectively. Another reason of deformation is the permanent presence of internal material forces mainly caused by material processing technologies at elevated temperatures such as welding, forging, rolling, or casting and referred to as residual stresses.
The performance of shock absorbers has been tested in specific regulatory drop tests onto an unyielding target at the BAM drop test facility. Optical surface digitisation methods have been used to measure, analyse and evaluate permanent deformations of shock absorbers more systematically. The measurement principle of the used fringe projection technique and its technical application to shock absorber investigations is explained in detail. Furthermore, examples of shock absorber testing results as well as final data visualisation are given in the present paper.
Die verbesserte Sichtbarkeit fluoreszierender Materialien erhöht die Sicherheit in vielen Bereichen. Mit der 2-Monochromatoren-Methode können diese bestrahlungsunabhängig charakterisiert werden. In Hinblick auf einen Einsatz im Prüflabor (DIN EN ISO/IEC 17025) werden Vergleichsmessungen mit dem modernisierten Messplatz der BAM unter Nutzung eines Arrayspektrometers präsentiert.
Die verbesserte Signal- und Warnwirkung fluoreszierender Materialien gewinnt in vielen Bereichen zunehmend an Bedeutung, so z.B. für Warn- und Schutzkleidung, Schulranzen und Verkehrsschilder. Gleichzeitig führt der Trend zu LED-Beleuchtung in Innenräumen und auch im Straßenverkehr zu einer Diversifikation der spektralen Verteilung, welche die Fluoreszenz anregt.
Ein weiteres Beispiel hierfür ist die Verwendung fluoreszierender Farbstoffe in der zerstörungsfreien Prüfung von Werkstoffen. Sowohl bei der fluoreszierenden Eindringprüfung als auch der Magnetpulverprüfung werden Risse durch fluoreszierende Farbstoffe optisch angezeigt.
Beide Verfahren beruhen entsprechend der Stokesschen Regel auf der Energieverschiebung im Spektrum fluoreszierender Materialien gegenüber dem Anregungsspektrum hin zu größeren Wellenlängen, so dass das fluoreszierte Licht vom reflektierten Anregungslicht unterschieden werden kann. Auch hier kommt zunehmend LED-Technik zum Einsatz, wobei die Anregung im UV-, in letzter Zeit auch im blauen Spektralbereich erfolgt.
Um die Erfüllung sicherheitstechnischer Normen zu gewährleisten, muss die Charakterisierung der spektralen und integraloptischen Eigenschaften fluoreszierender Substanzen unter Berücksichtigung verschiedenster anregender Lichtarten erfolgen. Nur die bispektrale 2-Monochromatoren-Methode (2MM) liefert eine bestrahlungsunabhängige materialcharakteristische Größe, die sogenannte Donaldson-Matrix, aus welcher die Reflexions- und Fluoreszenzstrahldichtefaktoren sowie Anregungsspektren und Farbmaßzahlen für beliebige spektrale Verteilungen der Bestrahlung bzw. Normlichtarten und unterschiedliche Normalbeobachter hervorgehen.
Bei der 2MM wird die Probe mit monochromatischer Strahlung beleuchtet und das erzeugte Emissionsspektrum für jede Anregungswellenlänge gemessen. Der modernisierte bispektrale Messplatz in der Bundesanstalt für Materialforschung und prüfung (BAM) erlaubt u.a. den Einsatz eines Arrayspektrometers anstelle des Detektionsmonochromators, so dass die Messzeit erheblich reduziert wird.
Zusätzlich steht in der BAM ein Spektroradiometer (OL 750, Optronic Laboratories, Inc.) zur Verfügung, mit dem die spektrale Bestrahlungsstärke verschiedener Leuchtmittel erfasst werden kann. Zusammen mit der durch die 2MM bestimmten Donaldson-Matrix kann so die Signalwirkung z.B. eines Fluoreszenzfarbstoffes für die Rissdetektion in Materialien unter diesen bestimmten Beleuchtungsbedingungen bewertet werden.
Im Beitrag wird dieses Zusammenspiel beispielhaft für verschiedene fluoreszierende Rissprüfmittel und Anregungslichtquellen diskutiert.
The effect of the wall thickness variation of blow-moulded bodies made of high-density polyethylene on an internal pressure test after prestoring the packaging with standard liquids was evaluated in experiments and simulations. The objects of the investigation were jerrycans used for the transportation and storage of dangerous goods.
The wall thickness was determined using two alternative methods to the magnetostatic measurement. These alternative methods are used for research purpose to get a volumetric model of the jerrycan wall as a geometric model for the simulation. The comparison of the experiments and the simulations of the internal pressure test were performed using the digital image correlation method. The integral strain and deformation of the whole jerrycan was detected by measuring the total mass of the jerrycan being filled with water during the internal pressure test. This is a suitable alternative to the optical measurements of local deformation by the digital image correlation method. Prestorage at 40°C without the influence of chemicals strengthens the jerrycan, whereas the swelling effect of butyl acetate and hydrocarbon mixture softens the jerrycan. The comparison with the experiment is necessary to verify the accuracy of the simulation. It shows that the deformation can be simulated more precisely by using the actual measured geometry. The weakening of the high-density polyethylene caused by a hydrocarbon mixture can be simulated using the Arrhenius equation. The aim of the simulation was to discover whether it is possible to use specimens to predict the behaviour of a packaging both after the influence of standard liquids.
The performance of shock absorbers has been tested in specific regulatory drop tests onto an un-yielding target at the BAM drop test facility. Optical surface digitization methods have been used to measure, analyze and evaluate permanent deformations of shock absorbers more systemati-cally. The measurement principle of the fringe projection technique used and its technical appli-cation to shock absorber research is explained in detail in this paper. Furthermore, examples of shock absorber testing results as well as final data visualization are presented.
Mehr Sicherheit durch optische Materialeigenschaften - das Messen von Retro-Reflexion bis Farbe
(2009)
Einsatz optischer 3D-Messtechniken für Verformungsmessungen an RAM-Behältern bei Fallprüfungen
(2010)
Surface-applied fibre optic strain sensors were investigated using a unique validation facility equipped with application-independent optical reference systems. First, different adhesives for the sensor's application were analysed regarding their material properties. Measurements resulting from conventional measurement techniques, such as thermo-mechanical analysis and dynamic mechanical analysis, were compared with measurements resulting from digital image correlation, which has the advantage of being a non-contact technique. Second, fibre optic strain sensors were applied to test specimens with the selected adhesives. Their strain-transfer mechanism was analysed in comparison with conventional strain gauges. Relative movements between the applied sensor and the test specimen were visualized easily using optical reference methods, digital image correlation and electronic speckle pattern interferometry. Conventional strain gauges showed limited opportunities for an objective strain-transfer analysis because they are also affected by application conditions.
Verpackungen für gefährliche Güter werden je nach Zweckbestimmung, Anwendungsbereich bzw. dem Grad der Gefährdung aus sehr unterschiedlichen Werkstoffen hergestellt. Für gefährliche Flüssigkeiten sind u.a. Verpackungen aus Kunststoff (Kanister) vorgesehen. Für deren Zulassung als Transport- oder Lagerbehälter sind verschiedene experimentelle Prüfungen erforderlich. Die Innendruckprüfung (hydraulisch) ist eine dieser vorgeschriebenen Prüfungen. Im Rahmen der vorliegenden Darstellung wurden Untersuchungen an extrusionsblasgeformten Kanistern aus Polyethylen hoher Dichte (HDPE) verschiedener Typen durchgeführt. Ziel der Arbeiten ist es, einen Eignungsnachweis bezüglich Behälterkonstruktion, Werkstoffeigenschaften und Einsatzbedingungen im Sinne einer sicherheitstechnischen Bauartzulassung zu führen.
Ein Schwerpunkt war desweiteren die Untersuchung des Einflusses unterschiedlich schädigender Flüssigkeiten auf die mechanischen Eigenschaften des HDPE-Werkstoffes. In Experimenten zum Nachweis der Behältersicherheit verwendet man stellvertretend für die Originalflüssigkeiten sogenannte Standardflüssigkeiten. Diese sind durchaus gefährlicher als die Originalflüssigkeiten, ersparen aber für Prüfzwecke die Bevorratung einer großen Anzahl der unterschiedlichen Originalflüssigkeiten und deren Transport zum Ort der Prüfung. Mit Standardflüssigkeiten werden die erforderlichen Einwirkzeiten auf den Kunststoff von 6 Monaten bei 23 °C auf 3 Wochen unter 40 °C verkürzt. Standardflüssigkeiten sind Netzmittellösung, Essigsäure, Salpetersäure, Kohlenwasserstoffgemisch (White Spirit) und Butylacetat.
Die mit unterschiedlichen Standardflüssigkeiten vorgeschädigten Kunststoffbehälter wurden anschließend der Innendruckprüfung ausgesetzt. Das Hauptaugenmerk der vorliegenden Abhandlung konzentriert sich als Teilaspekt im Rahmen unmfangreicher Materialuntersuchungen von Kunststoffumschließungen auf die experimentelle Form- und Verformungsanalyse der Kanister mittels optischer 3D-Verfahren. Diese ist insbesondere für den Vergleich mit den FE-Simulationsergebnissen und zwischen verschiedenen Wekstoffen von Interesse. Die Werkstoffe haben ein unterschiedliches Schwell- und Auslängungsverhalten. Es ist wichtig zu wissen, ob es trotz unterschiedlicher Wanddickensteuerungen oder gerade mit diesen möglich ist, eine 'ähnliche' Produktgestalt zu ermöglichen.
Sub-aerial biofilms (SABs) are ubiquitous microbial communities that develop at the interface between hard surfaces and the atmosphere. Inherent SAB 'core-settlers' include phototrophic algae, cyanobacteria, heterotrophic bacteria and microcolonial fungi (MCF). SABs do not simply cover hard surfaces; they interact with them in myriads of ways and bind to the underlying substrate. Secretion of extracellular mucilage aids adhesion, while organic acids and acidic polysaccharides weather the surface. As protection against solar radiation, many members of the SAB consortia produce shielding pigments while the phototrophic inhabitants are laden with photosynthetic pigments. All absorb light of many wavelengths and in addition, the cells themselves scatter light. Both effects change the spectra of incoming radiation (including wavelengths that are converted to electricity by photovoltaic cells) and decrease its intensity. To quantify these effects on SABs as complex entities of organisms and pigments, we measured the spectral properties of model and natural biofilms transferred to glass. Here we show that SABs growing on solar panels and other substrates scatter incident radiation between 250 nm up to 1800 nm and block up to 70% of its transmission. Model biofilms have the advantage that their microbial components can be 'tuned' to resemble natural ones of different compositions thus providing a novel materials-testing tool.
In context with new cask designs and their approval procedure, the experimental testing of impact limiters under drop test conditions becomes more and more important in order to assess the damage mechanics behaviour and safety margins for validation reasons. In recent years, various designs of impact limiters have been tested by the Federal Institute for Materials Research and Testing within specific component testing and particularly with regard to type B package design approval procedures. The paper focuses on the experimental realisation of impact limiter tests and presents implemented measurement techniques to determine the amount of deformation and to explain the impact behaviour by means of photogrammetric metrology and three-dimensional fringe projection method, high speed motion analysis and adjusted deceleration measurements.
In context with new cask designs and their approval procedure the experimental testing of impact limiters under drop test conditions becomes more and more important in order to assess the damage mechanics behavior and safety margins for validation reasons.
In recent years various designs of impact limiters have been tested by the Federal Institute for Materials Research and Testing (BAM) within specific component testing and particularly with regard to type B package design approval procedures.
The paper focuses on the experimental realization of impact limiter tests and presents implemented measurement techniques to determine the amount of deformation and to explain the impact behavior by means of photogrammetric metrology and 3-d fringe projection method, high-speed motion analysis and adjusted deceleration measurements.
The application of fluorescent materials improves the visibility for of warning symbols. BAM has used a measurement device to characterize fluorescent materials, which is based on the two-monochromator method. The result of this measurement method is an illuminant independent characteristic of the fluorescent material, called the Donaldson matrix, In view of its age and speed, the measurement device had to be re-designed and re-built. The new measurement facility is explained in greater detail in the paper. First measurement results and a comparison to the older device are also described.
A unique testing facility (KALFOS) using ESPI (electronic speckle pattern interferometery) as a referencing method has been realized for the characterisation of the strain transfer process from a component under load into surface applied fibre Bragg grating based strain sensors. The strain transfer mechanism can be described experimentally, while matching specific measurement requirements and environmental conditions.
In context with new cask designs and their approval procedure, the experimental testing of impact limiters under drop test conditions becomes more and more important in order to assess the damage mechanics behaviour and safety margins for validation reasons. In recent years, various designs of impact limiters have been tested by the Federal Institute for Materials Research and Testing within specific component testing and particularly with regard to type B package design approval procedures. The paper focuses on the experimental realisation of impact limiter tests and presents implemented measurement techniques to determine the amount of deformation and to explain the impact behaviour by means of photogrammetric metrology and three-dimensional fringe projection method, high speed motion analysis and adjusted deceleration measurements.
Der Beitrag konzentriert sich auf bildgebende Messverfahren, die der dreidimensionalen Bestimmung mechanischer, geometrischer und kinematischer Parameter von Materialien und Bauteilen dienen. Das sind hier insbesondere die Mehrbildfotogrammetrie sowie die Stereomessverfahren, die auf folgenden physikalisch-optischen Grundlagen beruhen: die zeit- und raumveränderliche Projektion von Lichtstreifensystemen, die Bildkorrelation mittels Grauwertmustern und die Verfolgung kontrastreich applizierter Punkttargets. Letztendlich werden aus den gemessenen Punktkoordinaten unterschiedlicher Dichte und Belastungszustände die gewünschten 3D-Parameter abgeleitet. Hierzu gehören z. B. die Oberflächengestalt und deren Verformung, approximierte 3D-Geometrielemente, veränderliche 6DoF-Starrkörperorientierungen, Vektorverschiebungsfelder, Oberflächendehnung, Koordinaten-Zeit-Funktionen, Geschwindigkeit und Beschleunigung. Diese Kenngrößen sind beispielsweise für die Ermittlung mechanischer Werkstoffeigenschaften und -kennwerte bis hin zur Form- und Verformungsmessung von Bauteilen in gezielt quasi-statisch oder dynamisch beanspruchenden Prüfeinrichtungen wichtig. Vorteilhaft für die praktische Anwendung dieser Verfahren ist insbesondere, dass sie berührungslos arbeiten, kombiniert werden können und skalierbar sind z. B. hinsichtlich Messvolumen, Auflösung, Genauigkeit und Koordinatensystemen der zu bestimmenden 3D-Punktkoordinaten an Materialoberflächen bzw. Komponenten.
Ausgehend von der Beschreibung der messtechnischen Prinzipien dieser Verfahren sollen zwei Anwendungsbeispiele aus dem Bereich der Gefahrgutbehäl-terprüfung im Rahmen von Bauartzulassungen und der normungsbegleitenden Mate-rialforschung den Stand in der Anwendungspraxis aufzeigen und einen Eindruck hinsichtlich der flexiblen Einsatzmöglichkeiten dieser optischen 3D-Verfahren verdeutlichen.
Beim Transport von aggressiven und gefährlichen Gütern in Kunststoffverpackungen kann es zu unerwünschten Materialveränderungen kommen. Daher erfordert der Einsatz entsprechender Verpackungen eine genaue Kenntnis der verwendeten Werkstoffe.
Zum Transport gefährliche Flüssigkeiten sind u.a. Verpackungen aus Kunststoff (z. B. Kanister) erlaubt, wenn diese geprüft und als Gefahrgutverpackungen zugelassen sind. Eine Zulassung gilt nur für die spezifische Verpackungsbauart, welche die notwendigen Bauartprüfungen bestanden hat.
Für die Zulassung als Gefahrgutverpackung sind verschiedene experimentelle Prüfungen erforderlich. Dazu zählt die hydraulische Innendruckprüfung, Im Folgenden werden Untersuchungen an extrusionsblasgeformten Kanistern aus Polyethylen hoher Dichte (HDPE) verschiedener Typen vorgestellt. Ziel der Arbeiten war es, einen Eignungsnachweis bezüglich Behälterkonstruktion, Werkstoffeigenschaften und Einsatzbedingungen im Sinne einer sicherheitstechnischen Bauartzulassung zu führen. Außerdem wurden die Einflüsse unterschiedlich schädigender Flüssigkeiten auf die mechanischen Eigenschaften des HDPE-Werkstoffes untersucht.
Für die Bauartprüfung zum Nachweis der chemischen Verträglichkeit ist eine sechsmonatige Vorlagerung der Verpackungen mit Originalfüllgut vorgeschrieben. Diese Vorlagerung kann durch den Einsatz spezieller Standardflüssigkeiten auf 21 Tage bei 40° C. verkürzt werden. Die eingesetzten Chemikalien sind die sogenannten Standardflüssigkeiten, die exemplarisch für zahlreiche Stoffe bestimmte Schädigungen auslösen:
• Netzmittellösung - spannungsrissauslösend
• Essigsäure - spannungsrissauslösend
• n-Butylacetat - quellend
• Kohlenwasserstoffgemisch (White Spirit) - quellend
• Salpetersäure - oxidierend
Within the presented research project, experimental and numerical investigations were performed to develop a thin-shelled, modular, mobile element system made of a micro-reinforced ultra-high-performance ductile concrete (DUCON®). Material parameters were experimentally determined to adapt the material model within the numerical analysis applying the Drucker-Prager relationship. Afterwards, for validation of the numerical models, quasi-static and high-velocity impact tests were performed on plate-like structures. Finally, a suitable geometry of transportable barrier elements will be designed, which provides a maximum of resistance against impact by a minimum of weight and a maximum of mobility.
Zur Verformungsanalyse einer 24 m langen, extern vorgespannten aber aufgrund von drei Stützfundamenten zwei Teilbereiche bildenden monolithischen Stahlbeton-Modellbrücke wurde ein komplett erfassendes stereo-optisches Messverfahren eingesetzt. Das Verfahren, dessen Kalibrierung sowie die experimentellen Randbedingungen werden beschrieben. Die im Fall quasistatischer Belastungsänderung gemessenen Verformungen zeigten signifikant messbare Verschiebungswerte im unteren mm-Bereich. Bei stochastischer Schwingungsanregung mit einem Shaker können in diesem für das Verfahren großen Messbereich die ersten drei resonanten Betriebsschwingformen bestimmt werden. Die realitätsnah kleinen Schwingungsamplituden sowie die begrenzte Koordinatenauflösung des bei 464 Hz Bild-folgefrequenz mit 4000 x 370 Bildpunkten betriebenen 12MP-Kamerapaares wirken sich limitierend aus. Beispielhafte Animationen zeigen die Verformungen der Modellbrücke unter Laständerung.
Bending beams and slabs are typical examples for structural elements used for reinforced concrete structures such as bridge girders, T-beams and bridge decks. Their strength related failure modes at maximum loading can be divided into bending and shear failure. The failure of beams loaded in bending can occur with or without indication. Therefore, conventional design concepts aim on failure modes with sufficient indication (e.g. large deflections or cracks), as it occurs in the case of secondary flexural compression failure. These indicating factors can also be used for Structural Health Monitoring (SHM) of civil infrastructure systems (e.g. bridges) to identify structural changes. In this context, non-destructive testing (NDT) methods offer different techniques for measuring deflections or crack formation and opening. However, profound knowledge on the determining failure modes of bending beams and their detection by NDT methods is required for the reliable application of SHM. Different NDT methods have been used in this study for analysing the load-bearing behaviour of a reinforced concrete beam in bending. The different measuring techniques are briefly described and their applicability is discussed by means of experimental results. For this purpose, the load-bearing behaviour of a reinforced concrete beam having a span of 2.75 m was investigated in a four-point bending flexural test at laboratory scale. The focus is on the characterization of determining failure modes by optical NDT and the comparison with classical measuring techniques (e.g. deformation measurements by displacement transducers). The bending beam was equipped with two single-mode (SM) sensor fibres. One fibre served as Distributed Optical Fibre Sensor (DOFS), whereas the other fibre contained Fibre Bragg Grating (FBG) sensors. In addition, optical deformation measurements using Digital Image Correlation (DIC) and Stereophotogrammetry (SP) were conducted.