Strukturelle und Methodische Untersuchung von Kraftaufnehmer-Systemen

Durch den zunehmenden Einsatz moderner, hochbelastbarer Werkstoffe werden heutzutage immer leistungsfähigere Strukturen und maschinelle Anwendungen realisierbar. Dieser Umstand macht den Einsatz immer größerer Prüf- bzw. Kalibrierkräfte unumgänglich. Insbesondere bei sehr großen Strukturen wird häufig im Grenzbereich der Belastbarkeit gearbeitet, um das Material so effizient wie möglich auszunutzen. Aus diesem Grund ist eine Optimierung der verfügbaren Messmittel bei der Bestimmung von Prüf- und Kalibrierkräften in Prüfmaschinen und Kalibriereinrichtungen eine wichtige und notwendige Aufgabe. Das Europaweit größte rückgeführte Kraftnormal befindet sich derzeit in der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt in Braunschweig. Im Rahmen eines Forschungsprojektes innerhalb des European Metrology Research Project ist die Möglichkeit untersucht worden, eine Rückführung der Kraft im Bereich bis 50 MN durch den Einsatz großskaliger Build-Up Systeme als Transfernormal zu realisieren. BU Systeme sind Parallelschaltungen von Kraftaufnehmern. Übersteigt die Nennlast dieser Geräte die rückgeführte Kraft, ist die Bestimmung ihrer Messunsicherheit in dem hohen Lastbereich eine große Herausforderung. Im Rahmen dieser Arbeit sind Einflüsse auf das Messergebnis von BU Systemen identifiziert und bewertet worden. Auf dieser Grundlage sind konstruktive Methoden sowie verbesserte Auswertemethoden entwickelt worden, die eine Reduzierung der Messunsicherheit von BU Systemen ermöglichen sollen. Dazu ist untersucht worden, wie sich das Zusammenschalten von mehreren Kraftmessgeräten zu einer Einheit auf den jeweiligen Aufnehmer und dessen Messergebnis auswirkt. Numerische Untersuchungen und praktische Versuche liefern Erkenntnisse darüber, wie die Beiträge zur Messunsicherheit erfasst und reduziert werden können. Diese Erkenntnisse bilden die Grundlage für die Entwicklung eines Prototypen, an dem über den aktuellen Stand der Technik hinausgehende Lasteinleitungs-Gestaltungen realisiert worden sind. Zur Bestimmung der Messunsicherheit ist die Auswertung von Einzelkalibrierungen nach DIN EN ISO 376 entsprechend der Vereinbarungen des „Guide to the expression of uncertainty in measurement“ so erweitert worden, dass sie den charakteristischen Eigenschaften dieser Systeme Rechnung trägt. Als wesentliches Ergebnis der Arbeit gilt die Erkenntnis, dass durch systematisch angepasste Lasteinleitungen die entsprechenden Beiträge zur Messunsicherheit zuverlässig reduziert werden können.