Mechanische Schockprüfung und Schockmessung

Was ist eine mechanische Stoßprüfung?

Bei der mechanischen Stoßprüfung wird ein Produkt einer kontrollierten transienten Beschleunigung ausgesetzt, um zu messen, wie es darauf reagiert. Das Ziel ist die Qualifizierung: Es soll nachgewiesen werden, dass ein Bauteil den Stößen standhält, denen es im Betrieb ausgesetzt sein wird, oder es soll ermittelt werden, ab welchem Ausmaß es diesen Stößen nicht mehr standhält.

Es handelt sich dabei eher um das Gegenstück zur Schwingungsprüfung als um eine Variante davon. Schwingungen sind anhaltend und wiederholend, und Schäden sammeln sich über Stunden der Einwirkung an. Ein Stoß ist ein einzelnes, kurzzeitiges Ereignis, und Schäden treten innerhalb von Millisekunden auf. Stoß- und Schwingungsprüfprogramme umfassen in der Regel beides, da ein Produkt die eine Prüfung bestehen und bei der anderen durchfallen kann – die Messanforderungen sind jedoch unterschiedlich. Bei Schwingungen ist der Dynamikbereich über lange Aufzeichnungszeiträume entscheidend; bei Stößen sind Bandbreite und Headroom in einem Zeitfenster von wenigen Millisekunden entscheidend.

Klassische Stoßimpulse

Die einfachsten Stoßprüfungen verwenden eine definierte Impulsform: einen Halb-Sinus-, Haversinus-, Sägezahnimpuls mit Endspitze oder einen Trapezimpuls, der als Spitzenwert in g über eine bestimmte Dauer in Millisekunden angegeben wird. Ein klassischer Stoßimpuls ist wiederholbar, leicht zu spezifizieren und leicht zu überprüfen, weshalb die meisten Normen auf Geräteebene auf diesen basieren. Ein Halb-Sinus-Stoßimpuls mit 50 g über 11 ms ist eine typische Anforderung für den Transportfalltest.

Komplexe Transienten

Pyroschock, ballistischer Schock und Unterwasserexplosion lassen sich nicht als Impulsform beschreiben. Sie werden von hochfrequenten Strukturreaktionen dominiert, unterscheiden sich jedes Mal voneinander, und zwei Ereignisse mit demselben Spitzen-g-Wert können völlig unterschiedliche Schäden verursachen. Diese werden als Schockantwortspektrum stattdessen – eine Kurve, die das Schadenspotenzial in Abhängigkeit von der Frequenz darstellt, anstatt einer einzelnen Zahl.

Was bei einem Aufpralltest gemessen wird

• Beschleunigung ist die primäre Messung, die mit Beschleunigungssensoren durchgeführt wird, die an den Stellen angebracht sind, an denen die Erschütterung in die Struktur eintritt, sowie an den für Sie relevanten Bauteilen. Die Anbringung ist hier wichtiger als bei jeder anderen dynamischen Prüfung: Eine Resonanz in der Halterung schlägt sich als Signal nieder, und sobald sie in den Daten enthalten ist, lässt sie sich nicht mehr herausfiltern.

• Druck wird neben der Beschleunigung bei Explosions-, ballistischen und Unterwasser-Schockwellen gemessen, bei denen der Belastungsmechanismus nicht in einem mechanischen Kontakt, sondern in der Druckwelle besteht.

• Dehnung und Kraft zeigen, wie die Stoßkraft auf die Konstruktion übertragen wird, und stellen die Verbindung zwischen einem gemessenen Ereignis und einer Ermüdungs- oder Versagensanalyse her.

• Zeitrafferaufnahmen… und genau das – synchronisiert mit den Daten – verwandelt ein unerwartetes Ergebnis in eine Erklärung: eine Befestigung, die verrutscht, ein Kabel, das hin- und herpeitscht, ein Bauteil, das mit etwas in Kontakt kommt, mit dem es nicht in Kontakt kommen sollte.

All diese Daten werden in Dewesoft-Systemen auf einer gemeinsamen Zeitbasis aufgezeichnet, wodurch sich feststellen lässt, dass ein Dehnungsspitzenwert, ein Videobild und eine Beschleunigungsspitze demselben Zeitpunkt zuzuordnen sind.

Hardware für Stoßprüfungen

Hochgeschwindigkeits-Datenerfassung für hochfrequente Stöße

SIRIUS® XHS deckt die schnellsten Transienten ab – Pyroschock, ballistische Ereignisse, Explosionen –, bei denen die Energie weit über der Bandbreite herkömmlicher Datenerfassungssysteme liegt. Es abtastet mit bis zu 15 MS/s pro Kanal bei einer Bandbreite von bis zu 5 MHz, und sein HybridADC bietet Ihnen bei jeder Messung die Wahl: einen Modus mit hoher Bandbreite, wenn es auf den Spitzenwert ankommt, oder eine aliasfreie Erfassung mit bis zu 2 MS/s, wenn Sie den Dynamikbereich benötigen, um eine kleine Reaktion innerhalb eines großen Ereignisses aufzulösen.

SIRIUS® XR ist im großen Maßstab dasselbe Frontend. Große Stoßmessprogramme benötigen selten extreme Bandbreite auf jedem Kanal – einige wenige Messpunkte liegen direkt im Stoßpfad und benötigen die volle Leistung des XHS, während Dehnungs-, Druck- und Sekundärbeschleunigungsmesser mit niedrigeren Abtastraten gut bedient werden. XR kombiniert XHS- und SIRIUS® X-Module in einem einzigen 19-Zoll-Rack: bis zu 288 analoge Kanäle im XR9, von denen bis zu 72 Hochgeschwindigkeits-XHS-Kanäle sein können, und bis zu 160 im XR5. Beide Kanaltypen nutzen eine gemeinsame Zeitbasis, anstatt als zwei Systeme zu laufen, die man anschließend aufeinander abstimmen muss, und die Racks lassen sich in Reihe oder sternförmig verbinden, wenn ein Rack nicht ausreicht.

Das XR-Gehäuse ist selbst für eine Beschleunigung von 75 g ausgelegt – das sollte man wissen, wenn das DAQ-Gerät an oder in der Nähe der zu prüfenden Struktur montiert ist und nicht in sicherer Entfernung auf der anderen Seite des Raums.

Sehen Sie sich alle unsere Hochgeschwindigkeits-Datenerfassungssysteme an.

Modulare Systeme für gemischte Stoßprogramme

SIRIUS® Modular und SIRIUS® Mini Die Geräte bewältigen die Fall-, Stoß- und Transporttests, die den Großteil der Stoßprüfungen ausmachen, wobei die Aufladung und die IEPE-Konditionierung auf demselben Chassis erfolgen wie die Dehnungs-, Druck- und Spannungsmessung. Die Kanalanzahl reicht von einer Handvoll bis zu mehreren Hundert, ohne dass eine Softwareänderung erforderlich ist.

Verteilte Systeme für große Strukturen

Stöße an großen Bauwerken – einem Flugzeug in Originalgröße, einem Schiffsabschnitt, einer Brücke oder einer Trägerrakete – erstrecken sich über Dutzende Meter. Die Verlegung von Analogkabeln von jedem Beschleunigungssensor zurück zu einem zentralen Rack bedeutet lange Kabelstrecken, Störaufnahmen entlang dieser Strecken und einen hohen Kupferverbrauch.

SIRIUS® X und IOLITE® X Stellen Sie den Digitalisierer stattdessen neben den Sensor. Die Geräte werden über ein einziges Ethernet-Kabel, das Strom, Daten und Synchronisation gemeinsam überträgt, in Reihe geschaltet – unter Verwendung von PoE und PTPv2-Zeitsteuerung –, sodass nur ein Kabel den Messbereich verlässt statt Hunderter. SIRIUS X verfügt über bis zu 32 analoge Eingänge pro Gerät, wobei jeder Eingang mit einem 24-Bit-Delta-Sigma-Wandler und einem Anti-Aliasing-Filter ausgestattet ist. IOLITE X ist lüfterlos und für einen Temperaturbereich von −40 °C bis +70 °C ausgelegt.

Da die Synchronisation mit den Daten übertragen wird, bleiben Kanäle an den gegenüberliegenden Enden der Struktur auf einer gemeinsamen Zeitbasis – wodurch es möglich wird, eine sich durch eine Struktur ausbreitende Stoßwelle zu verfolgen, anstatt lediglich deren Ankunft an jedem Punkt einzeln aufzuzeichnen.

Robuste und dezentrale Messtechnik

KRYPTON® Die Module entsprechen der Schutzklasse IP67 und werden nicht in einem Rack, sondern direkt am Prüfling angebracht – an einem Fahrzeug, auf einem Testgelände, im Freien bei Witterungseinflüssen.

SIRIUS® wasserdicht bietet noch mehr für die rauesten Umgebungen mit starken Stößen: Schutzart IP67, einen Betriebsbereich von −40 °C bis +60 °C und eine Auslegung für 100 g Stoß- und 100 g Vibrationsbelastung, bei einer Abtastrate von 200 kHz pro Kanal. Spannung, IEPE, Brückensensor, RTD und Widerstand werden nativ unterstützt, während Ladungs-, Thermoelement-, Strom- und LVDT-Signale über DSI-Adapter verfügbar sind. Wenn die Messung bei Kälte, Staub, Schlamm oder Regen stattfindet – oder wenn das Datenerfassungssystem einen Teil der von ihm gemessenen Stöße selbst abbekommt –, ist dies das Gerät, das das übersteht.

Synchronisiertes Video für Schockprüfungen

Eine Stoßmessung gibt Aufschluss darüber, was passiert ist. Ein Video zeigt es Ihnen. warum — eine Befestigung, die sich löst, ein Kabel, das hin- und herpeitscht, ein Bauteil, das mit etwas in Berührung kommt, mit dem es nicht in Berührung kommen sollte. Dewesoft integriert Kameras in dieselbe Erfassung wie die Daten, sodass Bilder und Messwerte eine gemeinsame Zeitbasis haben und Sie das Video und die SRS-Kurve gemeinsam durchspulen können.

Zeitrafferaufnahmen

DS-CAM, die hauseigene GigE-Vision-Kameraserie von Dewesoft, nimmt mit einer Auflösung von 2048 × 1536 px bei 37 FPS auf, wobei bei reduzierter Auflösung Bildraten von bis zu 6400 FPS möglich sind. Es sind Farb- und Monochrom-Versionen erhältlich, beide mit Global-Shutter. Mehrere DS-CAM-Kameras lassen sich über einen PTP-fähigen Switch miteinander synchronisieren.

Bei den schnellsten Wettbewerben, Photron und Phantom Ultrahochgeschwindigkeitskameras werden über spezielle Plugins angeschlossen, erreichen je nach Auflösung Tausende bis Millionen von Bildern pro Sekunde und bleiben dabei vollständig mit den analogen und digitalen Kanälen in DewesoftX synchronisiert.

Standardvideo

Für den Kontext und nicht zur Ereignisanalyse zeichnet DS-CAM bei Standardbildraten oder mit nahezu jeder DirectX-kompatiblen Webcam zusätzlich zu den Daten auf. Die Synchronisation der Webcam erfolgt softwaregestützt und ist auf etwa 10 ms genau – ausreichend, um einen Testaufbau oder eine Bedieneraktion zu dokumentieren, jedoch nicht, um ein Ereignis zu analysieren, das nur wenige Millisekunden dauert.

Wärmebildgebung

OPTRIS-Infrarot-Wärmebildkameras in dieselbe Erfassung integrieren und so die Oberflächentemperatur in die Aufzeichnung einbeziehen. Die Synchronisation erfolgt softwaregestützt mit einer Genauigkeit von etwa 100 ms, sodass das Wärmebild den thermischen Zustand während eines Tests dokumentiert und nicht das Stoßereignis selbst – dies ist nützlich, wenn Stoßprüfungen mit thermischer Konditionierung kombiniert werden oder wenn sich ein Bauteil unter wiederholten Stößen erwärmt.

Die Wahl einer Kamera für Stöße: Ein Schockereignis dauert nur Millisekunden, daher können nur die hardwaresynchronisierten Optionen – DS-CAM, Photron, Phantom – dieses Ereignis bildgenau mit den Daten abgleichen. Die Webcam- und Thermosynchronisation mit ~10 ms bzw. ~100 ms dienen lediglich dazu, den Kontext rund um den Test darzustellen.

Entdecken Sie die Videoerfassung von Dewesoft

Die Rolle von Dewesoft bei einer Stoßprüfung

Dewesoft bietet die Messung und Analyse Im Bereich der Stoßprüfung: Erfassung des Ereignisses, Berechnung des SRS und Auswertung des Ergebnisses. Dewesoft liefert keine Stoßprüfmaschinen, Falltürme oder Schüttler-Steuerungen und steuert keinen Schüttler, um ein synthetisiertes Stoßprofil zu reproduzieren.

In der Praxis bedeutet dies, dass Dewesoft-Systeme zusammen mit jeder beliebigen Stoßmaschine, jedem Fallturm oder jedem Prüfstand eingesetzt werden, über den Sie bereits verfügen – und dabei messen, was tatsächlich am Prüfling passiert ist, unabhängig von der Steuerung, die den Tisch antreibt. Bei Fallstößen, Pyroschocks, ballistischen Stößen, Explosions- und Transportstößen, bei denen überhaupt keine Steuerung vorhanden ist, bildet das Dewesoft-System die gesamte Messkette.