Doorbuiging en elasticiteitsmodulus

Moderator: physicalattraction

Gebruikersavatar
Moderator
Berichten: 8.166

Re: Doorbuiging en elasticiteitsmodulus

Verplaatsbaar is de oplegging bij mij ook, maar omdat ik een duidelijk gedefinieerde uitlijning wilde heb ik dit gemaakt:
Oplegging asjes.jpg
Deze twee steunpunten zijn van gehard staal en, moeilijk zichtbaar op de foto, zadelvormig dus hol en zelfcentrerend en haaks daarop bolvormig geslepen zodat er sprake is van een raakpunt, ongeacht de buiging (binnen normale testomstandigheden) van de te testen as. Ze zijn voorzien van een neodymium magneet als basis zodat ik ze eenvoudig op de gewenste onderlinge afstand kan plaatsen op de grondplaat.

Een paar testjes wezen uit dat ook mijn kromste as nu acceptabele meetresultaten geeft.

Vanavond en morgen eens een reeks metingen doen, die zal ik hier, samen met de opstelling melden. Hopelijk zijn nu alle hobbeltjes gladgestreken, en bekom ik goed reproduceerbare resultaten.

Gebruikersavatar
Moderator
Berichten: 8.166

Re: Doorbuiging en elasticiteitsmodulus

De uiteindelijke meetopstelling is een kruising geworden tussen die van de opstellingen van16 en 18 december. Ik heb afgezien van de hefboom, de opstelling op pootjes gezet en de massa van de puntlast direct via een draadje dyneema in het midden van de te testen as gehangen. De interferometer is hetzelfde gebleven:
Testopstelling.jpg
Het in het eerste bericht beschreven roteerhulpje voor de verplaatsbare spiegel doet hier, met een extra asje dat via sterke potmagneten onder de opstelling is bevestigd, dienst als lift waarmee de massa's (250 gram en ruim 2 kg) traag opgetrokken kunnen worden:
Detail testopstelling.jpg
De resultaten waren goed reproduceerbaar. Voor elk van de vijf asdiameters (zie tabelletje) is het gemiddelde van 10 metingen genomen, en de grootste variatie van 2,8% kwam voor tussen de metingen aan de as van 10 mm.

De afwijking in doorbuiging t.o.v. de theorie was groter, en varieerde van +6,15% tot -4,01%. Alle 50 metingen gemiddeld geven als resultaat dat dit assenstaal een elasticiteitsmodulus van 209,8 GPa heeft, nagenoeg de standaard waarde voor staal.

Wel valt op dat de gemeten afwijking min of meer evenredig met de diameter afloopt. De dunste as buigt duidelijk minder door (223 GPa) dan wat de theorie voorschrijft en de dikste duidelijk meer (202 GPa). De tussenliggende waarden stemmen aardig overeen. Wie hier een logische verklaring voor heeft is van harte welkom.

Meting doorbuiging.jpg

Niet in de tabel, maar wel gemeten; een as van niet hardbaar automatenstaal. Ik had verwacht dat deze een wat lagere elasticiteitsmodulus zou hebben dan gehard staal, maar dat bleek niet het geval. De waarde was nagenoeg gelijk.

Het is af te raden met een opstelling als deze de doorbuiging van assen te meten, het is echt monnikenwerk. Vooral de 8 mm as met 176 micron doorbuiging was een ramp. Het kostte mij uren en uren en iedere keer weer die pakweg 655 fringes tellen. En omdat niet alleen de testas doorbuigt maar ook het dunne takelasje, en ook de dyneema draad flink wat rek heeft, is het al die tijd bijzonder goed opletten want het fringeverloop is grillig op deze schaal. Met een meetklokje met 1 µ resolutie gaat het stukken sneller, en de nauwkeurigheid van althans deze opstelling blijkt niet zodanig dat interferometrie hier de moeite loont.

Gebruikersavatar
Berichten: 10.563

Re: Doorbuiging en elasticiteitsmodulus

Michel Uphoff schreef: wo 22 dec 2021, 23:15 Wel valt op dat de gemeten afwijking min of meer evenredig met de diameter afloopt. De dunste as buigt duidelijk minder door (223 GPa) dan wat de theorie voorschrijft en de dikste duidelijk meer (202 GPa). De tussenliggende waarden stemmen aardig overeen. Wie hier een logische verklaring voor heeft is van harte welkom.
(Nog) geen veklaring, wel wat gedachten op een rij, hopelijk logisch:

- Er lijkt inderdaad een trend. maar is de afwijking daadwerkelijk statistisch significant?
- De verhouding tussen de eigen massa van de staaf en de aangebrachte massa varieert, heeft dat effect?
- De invloed van afschuiving is groter bij dikkere staven, heeft dat effect?
- De doorbuiging is klein; zit je al wel in het lineaire gebied?
Cetero censeo Senseo non esse bibendum

Gebruikersavatar
Moderator
Berichten: 8.166

Re: Doorbuiging en elasticiteitsmodulus

>> Er lijkt inderdaad een trend. maar is de afwijking daadwerkelijk statistisch significant? <<

Of het statistisch significant is, weet ik niet. Ben nooit goed geweest in dat soort berekeningen. Ik zou de meting (maar nu met een klokje..) nog eens kunnen herhalen bij een wat andere belasting.

>> De verhouding tussen de eigen massa van de staaf en de aangebrachte massa varieert, heeft dat effect? <<

Ik zou nee zeggen. De staven buigen natuurlijk ook onder het eigen gewicht iets door, de dunne merkbaar meer dan de dikkere (het kwadratisch oppervlaktemoment neemt toe met de vierde macht van de straal bij een ronde as), maar het startpunt van de meting is een al uitgezakte staaf. Zolang de Youngs modulus lineair is in het te meten bereik, zou het m.i. dus niets uit mogen maken.

>> De invloed van afschuiving is groter bij dikkere staven, heeft dat effect? <<

Ik zou niet weten hoe. Heb jij daar een idee bij?

>> De doorbuiging is klein; zit je al wel in het lineaire gebied? <<

Voor zover mij bekend begint die lineaire elasticiteit bij de kleinst mogelijke belasting en loopt dus lineair op totdat er sprake raakt van plastische (en dus blijvende) vervorming. Juist bij zeer geringe belastingen zou er sprake moeten zijn van goede lineariteit. Maar Youngs modulus (wet van Hooke) is voor zover mij bekend een benadering van de werkelijkheid, hoewel ik mij niet kan voorstellen dat afwijkingen van pakweg plus en min 5% over zo'n klein gebied (dikteverschil 10 mm) genegeerd zouden worden in de praktijk.
Stress_strain_ductile.jpg
Nicoguaro - Own work Wikipedia

Technicus
Berichten: 1.163

Re: Doorbuiging en elasticiteitsmodulus

Dwarskrachtvervorming is inderdaad iets dat bij gedrongen constructies iets significanter wordt.
Mocht je goed in de differentiaalvergelijkingen zitten, dan kan je de vergelijking maken tussen de verwachtte doorbuiging bij alleen zuivere buiging (Euler/Bernoulli-beam) of buiging+dwarskrachtvervorming (Timoshenko-beam). Bijvoorbeeld hier : https://icozct.tudelft.nl/TUD_CT/CM5/co ... ystems.pdf vanaf slide 36

Gebruikersavatar
Moderator
Berichten: 8.166

Re: Doorbuiging en elasticiteitsmodulus

>> Mocht je goed in de differentiaalvergelijkingen zitten <<

Ik zit daar eerder mee, dan in ;-)

Maar dan nog, zo'n forse afwijking zou je toch tenminste als opmerking bij alle standaardberekeningen plaatsen?
Ik ga als ik energie vind nog eens een meetronde doen, maar nu alleen met meetklokje. Dat gaat ongeveer 100 keer sneller.

Technicus
Berichten: 1.163

Re: Doorbuiging en elasticiteitsmodulus

Geen tijd om het zelf helemaal met differentiaalvergelijkingen uit te rekenen (@ukster kom er eens in!), maar gelukkig zijn er genoeg voorbeelden waar dat al gedaan is.
We gebruiken https://icozct.tudelft.nl/TUD_CT/CM5/co ... ystems.pdf slide 39, voorbeeld B

Daarvan is het antwoord gegeven in https://icozct.tudelft.nl/TUD_CT/CM5/co ... -beams.pdf op pagina 3:
\( w(l)=\dfrac{F l^3}{48EI} + \dfrac{Fl}{4GA} \)
en voor je grootste as is de invloed van dwarsdrachtvervorming dan ongeveer (uit de losse pols, narekenen wordt aangeraden):
\( \frac{4 kg * 9,81 * 260 mm }{4 * 80000 N/mm^2 * \dfrac{\pi}{4} *(16mm)^2 } = 0,16 \mu m \)
Dat is minder dan een procent afwijking van de door jou berekende \(22 \mu m\), dus een grote warning lijkt me niet op z'n plaats.
Wat de afwijking dan wél zou kunnen verklaren weet ik nog niet.

Gebruikersavatar
Moderator
Berichten: 8.166

Re: Doorbuiging en elasticiteitsmodulus

Ik zoek de oorzaak in de opstelling, met name dat kantelende spiegeltje in de interferometer bevalt mij niet.

Daarom de basic tests uit dit bericht 20 keer voor elke as uitgevoerd. Die resultaten zijn een stuk samenhangender:
Image2.jpg
Het geharde assenstaal heeft toch wat meer elastische stijfheid (minimaal 220 GPa) dan zacht staal (de onderste twee regels, 208 GPa).

Het is jammer dat ik niet wat meer diameters zacht staal voorhanden heb, want de Youngs modulus van de twee gemeten zachte staven ligt keurig dicht bij elkaar. Mocht dat voor andere diameters ook zo gelden, dan betekent dat m.i. dat er inderdaad nogal wat verschil in elasticiteit is tussen die verschillende diameters gehard staal. Ik vermoed dan dat het hardingsproces zelf daar debet aan is. De meetresultaten zijn behoorlijk consistent, en voor degenen die er nog wat statistische kunst op los wil laten lever ik met plezier de data in csv aan. Hier de tabel met meetwaarden, de data met de gekleurde achtergrond zijn van het zachte staal:

Image1.jpg

Reageer