Zuverlässigkeit technischer Systeme

Zur betriebsfesten Auslegung von technischen Systemen oder deren Komponenten werden Methoden angewendet und entwickelt, die den gesamten Entwicklungsprozess und die Nachsorge betreffen. Die meisten Projekte stammen dabei aus der Fahrzeug- oder Zulieferindustrie. Im Bild: Bremsscheibe.

Betriebsfestigkeit und Zuverlässigkeit

Die auf Systemebene mit statistischen Methoden der Nutzungsvariabilität ermittelten Referenzlasten müssen für die Optimierung und Freigabe von Bauteilen auf Subsysteme und Komponenten heruntergebrochen werden. Hierzu werden die Simulationsmodelle des Gesamtsystems mit den Referenzlasten beaufschlagt und Schnittlasten einzelner Subsysteme oder Komponenten berechnet.

Meist wird dies mit Methoden der Mehrkörpermodellierung und entsprechenden kommerziellen Software-Tools durchgeführt (Bauteilschnittlasten und virtuelle Prüfstände).

Systemsimulation
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Mit den Schnittlasten kann die Bauteilbetrachtung beginnen, etwa durch eine rechnerische Bewertung mittels FE-basierter Lebensdaueranalyse oder durch eine experimentelle Bewertung. In diesem Fall stellt sich häufig die Frage, wie die teilweise hohe Anzahl an Schnittlasten auf wenige Angriffspunkte reduziert werden können, die in einem Prüfstandsversuch mit den entsprechenden Randbedingungen realisierbar sind.

Stehen sowohl die Konfiguration als auch die Lasten für einen Test auf dem Prüfstand fest, so muss noch geplant werden, wie viele Bauteile geprüft werden müssen um eine Freigabe des Bauteils mit bestimmter Aussagesicherheit begründen zu können oder um ein Quantil der Lebensdauer inklusive Konfidenzintervall schätzen zu können.

Unsere Abteilung bietet dabei vielfältige Ansätze und Lösungswege für diese Fragestellungen.

Besondere Kerngebiete sind dabei:

Ersatzversuche

Lebensdauerstatistik und Ausfallwahrscheinlichkeiten

Beispielprojekte: Betriebsfestigkeit auf Komponentenebene

Lebensdauerberechnung für eine NFZ-Achsanbindung

Lebensdauer NFZ-Achsanbindung
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Lebensdauer NFZ-Achsanbindung

Bei der Achsanbindung eines Lkw-Aufliegers handelt es sich um eine sicherheitsrelevante Baugruppe. Diese Baugruppe ist im Betrieb komplexen, sich zeitlich veränderlichen Belastungen ausgesetzt, die zu sich stets ändernden Beanspruchungsverteilungen in den einzelnen Bauteilen führen.

Da das Auftreten kritischer Stellen stark von der Belastungsgeschichte abhängt, der die Achse während ihres Einsatzes ausgesetzt ist, sind statische FE-Berechnungen zur Beurteilung des zu erwartenden Schädigungsverhaltens nicht ausreichend. Zusätzliche Herausforderungen stellen in diesem Fall auch die gleichzeitige Berücksichtigung des Einflusses sehr hoher Schraubenvorspannungen und der Kontaktverhältnisse in der Achsanbindung dar.

 

Ziel: kritische Stellen mittels Betriebsfestigkeitssimulation

Das Ziel ist es, die potentiell kritischen Stellen mittels Betriebsfestigkeitssimulation zu finden und verschiedene Designvarianten der von der Firma SCHMITZ CARGOBULL AG entwickelten Achsanbindung vergleichend zu bewerten. Damit kann fundiert entschieden werden, für welche Variante ein Prototyp gebaut und real getestet werden soll.

Die Achse wird nach den Grundsätzen der technischen Mechanik freigeschnitten und für alle angreifenden Schnittlasten mittels der Methode der Finiten Elemente jeweils ein Einheitslastfall berechnet.
Durch quasistatische Superposition der mit den angreifenden Lasten skalierten Einheitslastfälle werden in allen Knoten die Spannungstensorzeitverläufe berechnet. Über den Ansatz der kritischen Schnittebene und unter Verwendung des Dehnungskonzeptes wird die resultierende Schädigungsverteilung im gesamten Bauteil ermittelt.

Es können bereits in einem sehr frühen Stadium Konstruktionsvarianten bezüglich ihrer Betriebsfestigkeitseigenschaften verglichen und verbessert werden. Damit entfällt die Notwendigkeit mehrere Prototypvarianten zu bauen und im realen Versuch zu vergleichen. Es werden nur Verifikationsversuche an der besten Variante durchgeführt.

Low Cycle Fatigue (LCF) Kerbspannungskorrektur

LCF-Ermüdung
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LCF-Ermüdung

Verfahren der Automatischen Differentiation (AD)
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Verfahren der Automatischen Differentiation (AD)

In Kerben metallischer Bauteile treten bei äußerer Belastung häufig Spannungen auf, die so groß sind, dass das Metall lokal plastiziert. Dies führt dazu, dass die elastische Spannung, welche über das Hooke'sche Gesetz linear mit der elastischen Dehnung verknüpft ist, dort die wahren Spannungen überschätzt.

Nun ist es in der Praxis häufig zu aufwändig und zu teuer, eine volle nichtlineare FEM-Rechnung mit einem geeigneten elastoplastischen Hysteresegesetz (z.B. Melan-Prager, Armstrong-Frederick, Mróz, Chaboche, Jiang, ...) transient über lange Zeitintervalle durchzuführen. Falls vorhanden, nutzt man daher üblicherweise die elastische Stützwirkung des Bauteils und korrigiert die skalare Vergleichsspannung mit dem Neuber- oder dem ESED-Verfahren. Volle tensorielle Korrekturen (3D-mehrachsig) erwiesen sich bislang als wenig praktikabel, da sie zu ungenau waren.

 

Verfahren der Automatischen Differentiation (AD)

Es wurden bestehende mehrachsige elastoplastische Korrekturverfahren verbessert und Numeriken zur Lösung der resultierenden DAE-Systeme entwickelt. Die neuen, verbesserten Methoden erlauben eine hinreichend genaue Approximation aller drei Komponenten des wahren ebenen Spannungstensors im Kerbgrund.

Zur Identifikation der zahlreichen Parameter für das elastoplastische Hysteresegesetz wird das Verfahren der Automatischen Differentiation (AD) verwendet, welches schnelle und exakte Gradientenauswertungen ermöglicht. Auf diese Weise kann ein genauerer Abgleich mit Kerbdehnungsmessungen oder transienten FEM-Rechnungen erfolgen als bisher.

Ermittlung von Schnittkraftzeitverläufen basierend auf Dehnungsmessungen

Simulation Achsanbindung
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Simulation Achsanbindung

Um mittels Simulation eine Schädigungsverteilung in einem Bauteil bzw. System - wie beispielsweise einer Achsanbindung - berechnen zu können, ist die Kenntnis des zeitlichen Verlaufes der angreifenden Lasten unerlässlich. In vielen Fällen sind diese Verläufe jedoch messtechnisch nicht direkt bzw. nur mit sehr erheblichem Aufwand zu ermitteln.

 

Ziel: Zeitverläufe und Schnittgrößen identifizieren

Ziel ist es, basierend auf gemessenen Dehnungszeitverläufen die Zeitverläufe der angreifenden äußeren Lasten bzw. Schnittgrößen (z.B. Kräfte, Momente) zu identifizieren. Diese können dann verwendet werden um eine Lebensdauerverteilung im ganzen Bauteil zu berechnen und auch kritische Stellen, die messtechnisch nicht direkt erfasst wurden, mittels Simulation zu identifizieren.

Zur Lösung des Problems wird das Verfahren der »iterativ lernenden Regelung« eingesetzt. Dieses Verfahren wurde im Prüfstandsumfeld entwickelt und ermöglicht es, zeitliche Verläufe von Anregungsgrößen iterativ so zu bestimmen, dass vorgegebene Zielgrößen möglichst gut erreicht werden. Anregungssignale sind in diesem Fall die gesuchten Schnittgrößen, Zielgrößen die gemessenen Dehnungszeitverläufe.


Vorteile iterativ lernenden Regelung

Ein wesentlicher Vorteil dieser Vorgehensweise ist, dass dieses Verfahren - im Gegensatz zur Verwendung einer einfachen Übertragungsmatrix zwischen äußeren Lasten und Dehnungen - auch dann eingesetzt werden kann, wenn zwischen Lastkonfiguration und Dehnungszuständen kein linearer Zusammenhang besteht bzw. zusätzlich das Eigenschwingungsverhalten der Struktur zu berücksichtigen ist.

Mit den iterativ ermittelten Schnittkraftzeitverläufen ist es nun möglich eine Schädigungsverteilung im gesamten Bauteil zu berechnen. Auf diese Weise können kritische Stellen im Bauteil identifiziert werden, die vorher als solche nicht bekannt waren und für die keine Dehnungsmessungen vorhanden sind.