Analysis of a Novel Wedge-Burst Test Design with Integrated Load Cells: A Comparison to the Split-Disk Test and an Investigation of the Effects of an Elastomeric Distributor

Abstract

En wedge-burst (kile-burst) test med integrerte lastceller har blitt sammenlignet med en split-disk test ved hjelp av finite element analyser (FEA). Oppførselen til sylinderspenningen og den kalkulert spenning for begge metodene ble sammenlignet for en ring med radius, tykkelse, og lengde på henholdsvis 275, 8.4, og 13 mm. I tillegg ble effekten av en elastomerisk fordeler mellom ringen og dees/kilene undersøkt med FEA.

Dimensjonene av kilene med integrerte lastceller (LC-kile) i en wedge-burst test er avgjørende for å redusere momentet på lastcellene; ett moment over den tillate grensen vil føre til unøyaktigheter og potensiell ødeleggelse av lastcellene. Forlasten på lastcellene vil ha en betydelig effekt på det tillate momentet og burde dermed holdes til et minimum. De radielle kontaktkreftene mellom ringen og LC-kilene er mindre enn mellom ringen og vanlig kiler. Denne reduksjonen varierer basert på geometrien til LC-kilene. Med tilstrekkelig dimensjoner på LC-kilene er denne reduksjon forventet til å være rundt 2-4%. En ytterlig reduksjon på 1-3% er forventet mellom kraften målt i lastcellene og den radielle kontaktkraften mellom ringen og LC-kilene; denne reduksjonen vil være avhengig av friksjonen mellom ringen og LC-kilene.

Under lignende lasttilfeller er sylinderspenningen i ringen er betydeligere lavere i wedge-burst testen sammenlignet med split-disk testen . Grunnen for reduksjon i sylinderspenning er hovedsakelig en reduksjon i bøyespenning. Den maksimale sylinderspenningen i begge testene vil oppstå mellom dee/kilene og vil være påvirket av friksjonsegenskapene. Imidlertid er effekten av friksjonsegenskapene større i wedge-burst testen. På grunn av den relative høye bøyespenningen i begge testene, vil vesentlige undervurderinger oppstå; undervurdering er forventet til å være rundt 50% for split-disk testen, og 11-20% for wedge-burst testen, avhengig om geometriske spenningskonsentrasjoner er inkludert. Undervurderingen er positivt korrelert med friksjonsegenskapene mellom ringen og dee/kilene. Uavhengig av testmetoden, så er tilstrekkelig smøring av ringen anbefalt for å redusere undervurderingen.

Bruk av en elastomerisk fordeler med en split-disk test vil medføre høyere bøyespenning i ringen og vil dermed øke undervurderingen. På bakgrunn av numerisk ustabiliteter av modellene, så er det usikkerheter rundt effektene av en fordeler på en wedge-burst test. Testing vil dermed være nødvendig for å videre undersøke potensielle fordeler.

A proposed wedge-burst design with integrated load cells was compared to the standard split-disk test with finite element analysis (FEA). The hoop stress behavior and apparent stress for these methods were compared for a ring specimen with a radius, thickness, and length of 275, 8.4, and 13 mm, respectively. In addition, the effect of an elastomeric distributor between the ring and dee/wedge was investigated using FEA.

The dimensions of the wedges with integrated load cells (LC-wedge) are imperative in order to reduce the moment acting on the load cells; a moment above the allowable limit will induce inaccuracies in the measurements and might result in destruction of the load cells. The preload of the load cells will have a significant effect on the allowable moment and should be kept to a minimum. The radial contact force between the ring specimen and the LC-wedges is smaller than that of the regular wedges. This reduction varies based on the geometry of the LC-wedge. With an adequate LC-wedge design, this reduction is expected to be around 2-4%. An additional reduction of 1-3% is expected between the load cells measurements and the radial contact force between the LC-wedge and ring; this reduction depends on the frictional properties between the LC-wedge and ring specimen.

At a similar load-state, the hoop stress in the ring specimen is significantly lower in the wedge-burst model than in the spit-disk model. The main source for this deviation is a reduction in bending stress. The maximum hoop stress in both models will occur at the splits and is affected by the frictional properties. However, the effect of friction is more apparent in the wedge-burst models. Due to the relatively large bending stresses in both tests, significant underestimations of strength will occur; the underestimation is expected be around 50% for the split-disk test, and 11-20% for the wedge-burst test, depending on if the geometric stress concentration is included. The underestimation is positively correlated with the frictional properties between the ring and dee/wedge. Regardless of the test method, proper lubrication of the ring specimen is recommended to reduce the underestimation.

Utilizing a distributor in the split-disk test will induce a higher bending stress on the ring specimen and will therefore increase the maximum hoop stress at a similar load-level. Due to the numerical instability of the elastomeric models, there are some uncertainties on the effects of a distributor on the wedge-burst test. Thus, testing will be necessary to further investigate any potential benefits.