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ThinKing -精确的测量值-在安全的前提下挑战极限

如果想挑战可能的极限,就必须对材料有准确的了解。对于轻量化工程师来说,这一点和极限运动员一样。这也是为什么德国巴登符腾堡州轻量化局将2021年2月ThinKing创新奖授予斯图加特大学材料测试研究所的原因。
斯图加特大学材料研究所的一个研究团队开发了一种力测量传感器。在氢气环境下进行材料测试时,传感器能提供明显更精确的材料参数。借助这些数据,可以制造出安全的和材料效率高的轻量化构件。举例来说,在未来交通工具的氢技术中,这种传感器就不可或缺。

一目了然:
- 独立的精度:内部传感器精确测量,不受环境介质影响。
- 高重复性:传感器受到保护,不会出现漂移。
- 间接减重:准确的材料参数可以改善设计,从而实现产品的材料效率。
- 更安全的轻量化:材料参数更精确,同时可以实现安全性和材料效率。
在轻量化中,为了在设计上尽可能地减轻重量,要逼近材料的承载极限。然而,这需要对材料特性有非常精确的了解。


通过改善材料性能减轻部件重量
只有对材料特性有非常精确的了解,轻量化工程师才能利用材料的载荷和应力极限,在不影响部件安全和使用寿命的前提下,有效地进行设计。另外,仿真工具中需要材料参数作为设计的依据。
因此,为了准确地确定特征值,使传感器的测量值具有可比性,测量值必须可重复并且标准化。特别是疲劳强度、断裂伸长率和裂纹生长等受环境介质的影响很大。在测试设置中必须考虑到这一事实。目前的一个应用实例是围绕未来交通中的氢技术的部件材料。


氢气使事情变得复杂
从材料力学、工艺和生态学的角度看,氢气是一种特殊的环境介质。氢气甚至会扩散到高强度钢中并导致破坏。为了能够以材料效率的方式设计氢气罐、气管、喷射喷嘴或燃料电池,必须在氢气气氛下,在特殊的测试机上对材料样品进行测试。
以前的测试系统使用的是高压釜,其测力传感器位于测试室外。这是因为作为传感器元件的应变片有时会被高压釜中的腐蚀性介质损坏或破坏,或者至少其精度受到限制。因此,以前的测力传感器测得的力与密封力叠加在一起,经常会导致数值漂移和不准确。
“这些挑战通常使我感到非常好奇,”维尔茨在开发工作开始时笑着说道。 他负责斯图加特材料研究所的连接技术和增材制造工艺部门。几年后,经过大量深入的技术讨论,他的同事奥斯瓦尔德在演示器中展示了一种解决方案。


从外向里
在原型测试装置中,新型且已获得专利的力传感器可长期提供高精度参数,尤其是在氢气测试系统中。
这是如何运作的?注册了专利的负载连杆,将测试力施加到高压釜中的样品上,方式是将传感器元件容纳在内部。所有干扰力分量都通过内部或电子方式进行补偿。密封力不再起作用。
尽管测力系统伸入高压釜,但放置在内部的传感器元件仍承受常压。这样可以始终保持较高的精度。
高达1000 bar的氢气压力(用于模拟材料的工作条件)现在不再是维尔茨和齐克勒团队的主要挑战。齐克勒是在介质影响下工作行为部门负责人。材料(主要是金属)是可重复的并且可以精确地精确测量德。借助这一成果,斯图加特材料研究所是在全球范围内可以在这些条件下提供材料和组件测试的三个机构之一。
“除了测试服务,我们还为有大量需求的大型公司和他们自己的实验室提供机会,以许可德方式使用这种特殊的测量和测试技术,” 维尔茨说。


间接轻量化潜力巨大
奥斯瓦尔德说:“我们的传感器间接展现了约7%的轻量化潜力,可用于不同的行业和应用。”他对轻量化开发的重要性进行了分类。
奥斯瓦尔德对此估计进行了如下解释:“与以前的测试系统相比,摩擦力分量以及测量结果的虚假性约为+/- 3-4%。如今德零件的设计如果按此比例设计得太重了。”但是,如果以前的特性值是在其他不太精确的测试系统上测量的,则可能会更大。
在许多应用和行业中可以开发这种轻量化潜力。由于有了更精确的材料参数,所有相关的部件都可以设计得更精确,即同样轻巧安全。此外,试验安排还可用于测试加工和连接变体的应力和强度特征值--这些都是未来轻量化材料组合的良好前景。


关于斯图加特大学材料测试学院(MPA)
德国斯图加特大学的材料测试中心(MPA)提供测试服务,以确定材料和部件在机械和/或腐蚀应力下的行为。试验范围包括静态试验、高压试验、爆裂试验、疲劳和振动试验,试验力可达5MN,气体压力可达1000巴。一个重点是氢气测试技术。该研究所的测试高压釜可以在氢气、超纯水和其他介质中进行材料和部件测试,温度和压力范围很广。

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