Bei der Auslegung und Beurteilung mechanisch beanspruchter Bauteile hinsichtlich ihrer Betriebsfestigkeit/Zuverlässigkeit spielen statistische Methoden eine zentrale Rolle.

Nutzungsvariabilität und Lastannahmen

Bei der Auslegung und Beurteilung mechanisch beanspruchter Bauteile hinsichtlich ihrer Betriebsfestigkeit/Zuverlässigkeit spielen statistische Methoden eine zentrale Rolle.

Der zu durchlaufende Prozess beginnt bei der Erfassung, Beschreibung und Modellierung der Nutzungsvariabilität, die sich durch Kombination des unterschiedlichen Verhaltens der Nutzer mit der jeweiligen Umgebung ergibt. Bei den Traktoren einer bestimmten Klasse variieren beispielsweise sowohl die Anwendungen wie Pflügen, Mähen oder Transport, als auch die regionalen Gegebenheiten, etwa große Felder in der Ebene oder kleine Felder in hügeligem Gelände mit vielen Wendevorgängen. Entsprechend unterschiedlich sind die Beanspruchungen der Maschine oder des Fahrzeugs und müssen durch geeignete statistische Ansätze wie Faktormodelle und Verteilungen mit oft hohen Varianzen beschrieben werden.

Dies beginnt mit der Festlegung der Bemessungsgrundlagen:

  • Wie modelliert man die Kundenbeanspruchung?
  • Wie wertet man Daten aus dem Kundenbetrieb aus?
  • Wie plant man Messkampagnen zur Ermittlung von Beanspruchungsdaten?
  • Wie übersetzt man diese in Teststrecken oder Prüfprogramme?
  • Welche Ausfall(un)wahrscheinlichkeiten muss man wie nachweisen?

Schließlich muss man die Versuche zum Nachweis der Festigkeit mit statistisch abgesicherten Verfahren auswerten. Dies gilt für vergleichsweise einfache Bauteilversuche ebenso wie für sehr teure und lang laufende Ganzfahrzeugversuche. Die optimale Planung solcher Versuche ist ein entscheidender Punkt.

  • Sollte man viele kurze Versuche (Durchläufer) machen oder besser sehr wenige längere?
  • Wie kann man aus wenigen Versuchen das Maximum an Information und Nutzen ziehen?
Betriebsfestigkeit
© Foto ITWM

Betriebsfestigkeit

Der nächste Schritt besteht in der Ableitung von Lastannahmen, die als Bemessungsgrundlage für den Entwicklungsprozess gebraucht werden. Hier werden Messdaten mit Hilfe der Faktormodelle und der Nutzungsmodelle für eine bestimmte Nutzergruppe auf eine Ziellaufzeit hochgerechnet. Hohe Quantile dieser Beanspruchungsverteilung werden dann zur Definition von Referenzlasten für die Entwicklung bzw. Freigabe herangezogen.

Dieser Prozess wurde u.a. in einem gemeinsamen Projekt mit Volkswagen Nutzfahrzeuge durchgeführt und auf der VDI Konferenz Nutzfahrzeuge in Eindhoven vorgestellt. Einige der dabei eingesetzten Methoden, etwa die durch Verwendung geo-referenzierter Informationen angereicherte Auswertung von Messdaten und ihre statistische Aufbereitung mittels Faktormodellen, wurden detaillierter auf der DVM-Konferenz des AK Betriebsfestigkeit 2016 in Steyr vorgestellt.

Für den Nachweis der erforderlichen Ausfallsicherheit mittels Freigabeversuchen muss man aufgrund der verbleibenden Unsicherheiten gerade in den extremen Rändern der Verteilungen zusätzliche Sicherheitsfaktoren einsetzen, bei deren Schätzung die Streuungen von Beanspruchung und Festigkeit eine wichtige Rolle spielen. Außerdem werden zur Unterstützung der Versuchsplanung die Dauer bzw. Höhe der Belastung und Anzahl der erforderlichen Bauteilversuche einander gegenübergestellt.

Wir verwenden und entwickeln Methoden zur Lösung all dieser Aufgaben mit Schwerpunkten in der Fahrzeug-, Bau- und Landmaschinenindustrie. Methodisch werden aber auch andere Branchen, etwa Windenergieanlagen, abgedeckt. Weite Teile dieser Ansätze sind auch für Fragen der Energieeffizienz und des Verbrauchs von Fahrzeugen anwendbar und werden zunehmend umgesetzt.

Referenzen

  • Weyh, T., Speckert, M., Opalinski, A., Wagner, M.: Planung einer Messkampagne durch Osteuropa mittels der Fraunhofer Software VMC („Virtual Measurement Campaign“), VDI-Bericht: Nutzfahrzeuge 2015 Commercial Vehicles 2015 Truck, Bus, Van, Trailer, VDI-Berichte/VDI-Tagungsbände 2247, Vol. Bericht 2247 2015.
  • Speckert, M.; K., D.; Lübke, M.; Halfmann, T.: Automatisierte und um GEO-Daten angereicherte Auswertung von Messdaten zur Herleitung von Beanspruchungsverteilungen, DVM Bericht 143, 2016.

 

Anwendungsfelder

Lastdatenanalyse, Beanspruchungsstatistik und Betriebsoptimierung

Beanspruchungsdaten auf System- und Bauteilebene sind in der Regel Zeitsignale. Dies gilt sowohl für Feldmessungen und Prüflasten als auch im Berechnungsumfeld. Vor der eigentlichen Auswertung müssen die Daten auf Korrektheit überprüft und gegebenenfalls Spikes, Drifts oder Offsets korrigiert werden.

Geo-referenzierte Analyse und virtuelle Messkampagne (VMC®)

Seit einigen Jahren beschäftigen wir uns mit der statistischen Analyse von geo-referenzierten Daten zur Unterstützung und Verbesserung der Ableitung von Referenzlasten für die Betriebsfestigkeit und der Auslegung von Fahrzeugen hinsichtlich Energieeffizienz. Der Ansatz ist hauptsächlich motiviert durch den Wunsch, die Nutzungsvariabilität und die damit verbundene große Variation von Lasten und Verbrauch zu verstehen, zu beschreiben und für die zielgerichtete Entwicklung aufzubereiten.

U·Sim – Bewertung von Kundenprofilen und Einflussfaktoren

U·Sim (Usage-Simulation) dient der Modellierung der Nutzungsvariabilität einer großen Anzahl verschiedener Kunden und der Ermittlung von Referenzbeanspruchungen durch diese Kunden. Die Kunden werden gemäß Nutzungsprofilen mittels Monte-Carlo-Simulation generiert und sind durch reale
Messdaten repräsentiert. Daraus ergeben sich empirische Verteilungen in jedem
Messkanal für alle simulierten Kunden. Die Quantilkunden (z.B. 99% Kunde)
definieren in Kombination mit Sicherheitsfaktoren und Sondermanövern (z.B. Bordsteinüberfahrten) ein Designtarget, das explizit mit Bedingungen im Feld
verknüpft ist.

Beispielprojekte

 

Optimale Streckenmischung

Bei der Erprobung von Fahrzeugen werden zur Abbildung möglicher Belastungen Teststrecken eingesetzt. Die Ermittlung des besten Fahrprogramms ist eine komplexe  Mehrzieloptimierung.

 

Simulation von Kundenbeanspruchungen für Steuergeräte unter thermischer Belastung

Elektronische Bauteile in Fahrzeugen sind vielfältigen Belastungen ausgesetzt.

 

Lastdatenanalyse und Simulation im Entwicklungsprozess für Bagger

Um in Zukunft die Produktentwicklung noch besser den verschiedenen Anwendungsprofilen anzupassen und zur weiteren Effizienzsteigerung im gesamten Entwicklungsprozess investierte VOLVO CE in den letzten Jahren erheblich in moderne Methoden der virtuellen Produktentwicklung (Virtual Product Development, VPD).