DE102005004023A1

DE102005004023A1 - Verfahren zur Beschreibung von phänomenologischen Zusammenhängen zwischen Einflussgrößen und Belastungs- bzw. Beanspruchungsgrößen an Konstruktionen unter Betriebsbedingungen

Info

Publication number: DE102005004023A1
Application number: DE200510004023
Authority: DE
Inventors: Nina Rupp; Alexander Masieri
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2005-01-28
Filing date: 2005-01-28
Publication date: 2006-08-03

Abstract

Verfahren zur Beschreibung von phänomenologischen Zusammenhängen von Einfluss- und Belastungsgrößen bzw. Beanspruchungsgrößen an Konstruktionen unter Betriebsbedingungen. DOLLAR A Zur Erfassung des komplexen Geschehens an Konstruktionen unter Betriebsbedingungen, wie beispielsweise Fahrzeugen im Fahrbetrieb, werden umfangreiche und kostenintensive Messkampagnen in Test- und Kundeneinsätzen durchgeführt. Diese zielen meist auf eine Aussage über die Lebensdauer ab. Dabei wird häufig die schädigende Wirkung von Belastungs- und Beanspruchungsgrößen betrachtet, welche aus diesen bestimmt werden kann. DOLLAR A Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung eines kostengünstigen Verfahrens, das in der Lage ist, einen phänomenologischen Zusammenhang zwischen schädigenden Wirkungen von unterschiedlichen Belastungs- und Beanspruchungsgrößen an einer Konstruktion unter Betriebsbedingungen, beispielsweise einem Fahrzeug, und der schädigenden Wirkungen an dieser Konstruktion angreifenden Einflussgrößen herzustellen. DOLLAR A a. Aus im Testbetrieb unter verschiedenen Einsatzbedingungen (17) aufgenommenen Signalen von Einflussgrößen (3) werden durch Filterung mit Bandpässen (4) virtuelle Einflussgrößen erzeugt. DOLLAR A b. Diese virtuellen Einflussgrößen werden mit geeigneten reduzierenden Zählverfahren, beispielsweise mit Rainflow, gezählt (11) und ihre rechnerische virtuelle Schädigung mit geeigneten Schadensakkumulationsrechnungen (12) ermittelt. DOLLAR A c. Im selben Testbetrieb in allen Bereichen der Konstruktion ...

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Beschreibung von phänomenologischen Zusammenhängen von Einfluss- und Belastungsgrößen bzw. Beanspruchungsgrößen an Konstruktionen unter Betriebsbedingungen.

Zur Erfassung des komplexen Geschehens an Konstruktionen unter Betriebsbedingungen, wie beispielsweise Fahrzeugen im Fahrbetrieb, werden umfangreiche und kostenintensive Messkampagnen in Test- und Kundeneinsätzen durchgeführt. Diese zielen meist auf eine Aussage über die Lebensdauer ab. Dabei wird häufig die schädigende Wirkung von Belastungs- und Beanspruchungsgrößen betrachtet, welche aus diesen bestimmt werden kann. Unter Schädigung sind dabei werkstofftechnische Einflüsse auf Basis von Ermüdungserscheinungen zu verstehen, welche die Funktionalität des betrachteten Systems jedoch nicht einschränken. Diese Daten dienen einer sicheren und zuverlässigen Auslegung von Komponenten der Konstruktion oder der gesamten Konstruktion.

Ein Verfahren zur Generierung von zum Fahrbetrieb schädigungsäquivalenten Rauschprofilen zur Vibrationsprüfung von Fahrzeugkomponenten beschreibt DE 10236 735 A1 . Nach diesem Verfahren wird aus dem im Fahrbetrieb gemessenen Beschleunigungs – Zeit – Signal in mindestens einem Frequenzband ein Fahrbetriebs – Beschleunigungs – Lastkollektiv gebildet. Aus diesem Lastkollektiv wird ein Leistungsdichtespektrum erzeugt. Aus dem am Prüfstand gemessenen Beschleunigungs – Zeit – Signal wird ebenfalls in demselben Frequenzband ein Lastkollektiv abgeleitet und daraus ein Leistungsdichtespektrum gebildet. Gleichzeitig wird aus diesen Kollektiven das jeweilige Prüfstands-Schädigungsmaß und das jeweilige Fahrbetriebs – Schädigungsmaß an einzelnen Komponenten verfahrensgemäß mit Palmgreen-Miner elementar abgeleitet. Durch Vergleich der beiden Schädigungsmaße wird die benötigte Prüfzeit bis zum Erreichen des Schädigungsmaßes im Fahrbetrieb am Prüfstand errechnet bzw. in einer Iteration ein schädigungsäquivalentes Prüfstands-Rauschprofil durch sukzessive Anpassung abgeleitet.

Kern des oben genannten Verfahrens ist wie bereits erwähnt die Findung eines zum Fahrbetrieb schädigungsäquivalenten Rauschprofils für einzelne Fahrzeugkomponenten zur Prüfstandsansteuerung, eine Betrachtung einer Konstruktion in ihrer Gesamtheit wird dabei ebenso unbeachtet gelassen, wie die Korrelation zwischen Einflussgrößen einerseits und Belastungen bzw. Beanspruchungen andererseits. Auch wird hier in einer Iteration ein Rauschprofil in Form einer spektralen Leistungsdichte angepasst, für welches die Schädigungskennzahlen lediglich als Verfahrensparameter für ebendiese Anpassung Verwendung finden. Die Anwendung von Frequenzfiltern ist dabei für den Anspruch an die Korrelierbarkeit des aufgenommenen Signals zur spektralen Leistungsdichte (PSD) zwingend. Ohne diese Filterung wäre das geforderte Rauschprofil in Form eines PSD aus diesen Signalen nicht ableitbar. Weiterhin weist dieses Verfahren einige entscheidende Nachteile auf, welche es für eine Anwendung im Sinne der vorgeschlagenen Erfindung nicht qualifizieren.

Nachteilig an diesem Verfahren ist erstens, dass eine schädigungsäquivalente Betrachtung wie bereits erwähnt nur an einzelnen Komponenten vorgenommen wird, das Geschehen am Gesamtsystem jedoch unberücksichtigt bleibt. Zweitens lässt dieses Verfahren nur eine Prüfung der Zuverlässigkeit im Labormaßstab zu und kann aufwendige Messkampagnen weder ergänzen, noch untermauern. Drittens ist durch die Festlegung des Verfahrens auf eine Schadensakkumulation nach Miner elementar eine Aussage über Langzeitverhalten kritisch, da gerade wegen der fehlenden Dauerfestigkeitsgrenze bei Schwingspielzahlen über ebendiese Grenze große Fehler gemacht werden.

Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung eines kostengünstigen Verfahrens, das in der Lage ist einen phänomenologischen Zusammenhang zwischen schädigenden Wirkungen von unterschiedlichen Belastungs- und Beanspruchungsgrößen an einer Konstruktion unter Betriebsbedingungen, beispielsweise einem Fahrzeug, und der Schädigenden Wirkungen an dieser Konstruktion angreifenden Einflussgrößen herzustellen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 gelöst. In den abhängigen Ansprüchen sind vorteilhafte Weiterbildungen vorgestellt.

Dabei wird folgender möglicher Aufbau vorgeschlagen: Es wird ein Testbetrieb definiert, in dem unterschiedliche für die Konstruktion maßgebliche Betriebsarten und/oder Betriebszustände enthalten sind.

Aus den in diesem Testbetrieb mit geeigneten Sensoren an der Konstruktion aufgenommenen Zeitfolgen von Einflussgrößen, beispielsweise der Fahrwerksbeschleunigungen eines Fahrzeuges, wird durch eine Filterung mit geeigneten Filtern mindestens ein virtuelles Signal in Form eines Frequenzbandes des Ursprungssignals generiert. Für jedes der so erzeugten virtuellen Signale werden durch geeignete datenreduzierende Zählverfahren, vorzugsweise nach Rainflow, und Schadensakkumulationsrechnungen, wie beispielsweise nach Palmgreen-Miner, zu minestens einem Zeitpunkt der Messung, vorzugsweise jedoch nach definierten Zeitintervallen, virtuelle rechnerische Schädigungskennzahlen berechnet. Für alle interessierenden Belastungs- und Beanspruchungsgrößen, beispielsweise den Radkräften eines Fahrzeuges, werden ebenfalls durch dieselben geeignete datenreduzierende Zählverfahren und Schadensakkumulationsrechnungen Schädigungskennwerte errechnet. Diese Schädigungskennwerte werden stets zu denselben Zeitpunkten wie die der virtuellen Einflussgrößen bestimmt, um eine Korrelation zwischen diesen zu ermöglichen. Der Zeitpunkt kann dabei als zusätzliche Information erhalten bleiben.

Nun wird durch geeignete erfindungsgemäße analytische Methoden, vorzugsweise mathematische Ansätze ähnlich eines Gleichungssystems, zwischen den virtuellen rechnerischen Schädigungskennwerten der Einflussgrößen und den Schädigungskennwerten der Belastungs- und Beanspruchungsgrößen ein Zusammenhang, beispielsweise in Form von Transferfunktionen, ermittelt.

Im Langzeitbetrieb ist eine Erfassung der Einflussgrößen, deren schädigende Zusammenhänge mit den interessierenden Belastungen und Beanspruchungen zuvor im Testbetrieb identifiziert worden sind, mit geeigneten Sensoren, beispielsweise mit Beschleunigungsaufnehmern, hinreichend. So werden in Messkampagnen gesammelte Daten im Umfang deutlich begrenzt, da nur noch die Signale der wenigen auf die Konstruktion wirkenden Einflussgrößen erfasst werden müssen, was kostenintensiv und aufwändig ausgestattete Messobjekte verhindert. In diesem Verfahrensschritt findet im Anschluss an die Erfassung zur Erzeugung virtueller Einflussgrößen eine Filterung analog der Filterung im Testbetrieb statt. Wiederum werden aus diesen virtuellen Signalen im Betrieb durch Kombination von Zählverfahren und Schadensakkumulation virtuelle rechnerische Schadenskennwerte erzeugt. Bereits aus diesen Informationen lassen sich Aussagen über das Belastungsgeschehen, beispielsweise Streckendaten von Fahrzeugen, während des Betriebs der Konstruktion ableiten ableiten.

Aus den im Langzeitbetrieb gewonnenen Daten kann nun durch eine Operation ähnlich einer Inversion des vorgestellten Verfahrens unter Verwendung der abgeleiteten Zusammenhänge aus dem Testbetrieb jederzeit, nur durch Verarbeitung der aufgezeichneten virtuellen rechnerischen schädigenden Wirkungen der Einflussgrößen, das komplexe Schädigungsgeschehen der interessierender Belastungs- und Beanspruchungsgrößen an Konstruktionen unter Betriebsbedingungen rekonstruiert werden.

Erfindungsgemäß wird folgendes Ausführungsbeispiel dargestellt.
1 beschreibt an einem Signal die Verfahrensschritt gemäß den Ansprüchen 1a. bis 1f.
Als Konstruktion unter Betriebsbedingungen im Sinne der Erfindung ist beispielsweise ein Fahrzeug im Fahrbetrieb zu verstehen. Ein Testbetrieb wird in diesem Fall als Komposition aus physikalisch unterschiedlichen Fahrzuständen (1) verstanden. An einem Fahrzeug werden als Einflussgrößen beispielsweise die Beschleunigungen in den drei karthesischen Koordinatenrichtungen (3) am Fahrwerk betrachtet. Diese Beschleunigungssignale (3) werden nach ihrer Aufnahme im Testbetrieb durch geeignete Sensoren (2), hier Dreiachsbeschleunigungsaufnehmer, in einer ersten Pre-Prozessing Phase erfindungsgemäß in verschiedene Frequenzbänder gefiltert (4) und so virtuelle Beschleunigungskanäle (5) generiert. Dies kann beispielsweise durch eine geometrisch gestaffelte Bandpass-Kaskade (z.B. je fünf Bänder pro Koordinate = 15 Bänder mit: 0–2 Hz; 2–4 Hz; 4–8 Hz; 8–16 Hz; 16–32 Hz) realisiert sein.
Die so erzeugten virtuellen Beschleunigungskanäle (5) werden mit reduzierenden Zählverfahren wie Rainflow (6), welches geschlossene Lasthystereseschleifen auf Werkstoffebene wertet, gezählt und werden mit Schadensakkumulationsrechnungen (7) beispielsweise nach Palmgreen-Miner modifiziert, also gegen eine fiktive Wöhlerlinie gemäß Anspruch 10. in ihrer virtuellen rechnerischen Schädigung (8) bewertet. Dieser Verfahrensschritt wird zu mindestens einem Zeitpunkt durchgeführt, vorteilhaft wäre hier eine Berechnung nach festen Zeitintervallen, beispielsweise alle 10 Sekunden.
Auch die Signale der interessierenden Beanspruchungs- und Belastungsgrößen (10) werden mit geeigneten Sensoren (9), wie beispielsweise Messrädern, zu denselben Zeitpunkten, wie die Signale der Einflussgrößen, aufgenommen, gezählt (11) und in ihrer Schädigung (12) bewertet.
Damit ergibt sich für jeden Berechnungszeitpunkt eine Rainflowmatrix bzw. abgeleitet daraus ein Schädigungskennwert für jede aufgenommene Größe (13) und virtuelle Beschleunigung (8).
2 beschreibt das Vorgehen gemäß den Ansprüchen 1a. bis 1f. für alle relevanten Signale.
Als geeigneter analytischer Ansatz kann beispielsweise eine mathematische Lösung auf Basis eines linearen Gleichungssystems (14 bis 16) dienen.
Die, in diesem Beispiel, 15 rechnerischen virtuellen Schädigungskennzahlen der virtuellen Beschleunigungen (8) werden zu dementsprechend 15 Zeitpunkten (18) erfasst und daraus eine quadratische Schädigungsmatrix der Einflussgrößen (14) aufgestellt. Für jede der Beanspruchungen und Belastungen wird aus den Schädigungskennzahlen (13) derselben 15 Zeitpunkte (17) ein Schädigungsvektor (15) aufgestellt.
Die nötigen Transferfunktionen lassen sich durch eine Operation ähnlich einer invertierten Matrixmultiplikation ermitteln. Das Ergebnis dieses Lösungsansatzes ist ein Vektor aus Transfer Koeffizienten (16), der in der Lage ist den anhand der rechnerischen virtuellen schädigenden Wirkungen der Fahrwerksbeschleunigungen den phänomenologischen Zusammenhang zu den schädigenden Wirkungen von Beanspruchungsgrößen, wie z.B. Radkräften, abzuleiten.
3 beschreibt ein Vorgehen gemäß Anspruch 1 g. und 1 h.
Erfindungsgemäß wird eine zweite Verfahrensphase vorgesehen, in der Langzeitmessungen (18) im bestimmungsgemäßen Betrieb der Konstruktion, in diesem Beispiel also im Fahrbetrieb, durchgeführt werden. In diesem Online-System werden am Fahrwerk mit geeigneten Sensoren (2), beispielsweise Dreiachsbeschleunigungsaufnehmern, ausschließlich die drei Beschleunigungen (3) der karthesischen Koordinatenrichtungen aufgenommen. Aus diesen werden durch eine Filterung (4) mit denselben Frequenzbändern wie im Pre-Prozessing virtuelle Beschleunigungen erzeugt, auf dieselbe Art und Weise mit reduzierenden Zählverfahren (11) gezählt und mit Schadensakkumulationsverfahren (12) die rechnerischen virtuellen Schädigungen (14) bestimmt. Diese Schädigungskennzahlen werden in einem geeigneten Datenrecorder.
4 beschreibt ein Vorgehen gemäß Anspruch 1i.
In der dritten Verfahrensphase, dem Post-Prozessing, werden die in den Langzeitmessungen aufgenommenen virtuellen rechnerischen Schädigungskennwerte der virtuellen Beschleunigungen (14) unter Verwendung der im Pre-Prozessing identifizierten Zusammenhänge in Form der Transfer Koeffizienten (16) herangezogen, um die schädigenden Wirkungen der Belastungs- und Beanspruchungsgrößen (15) zu rekonstruieren.

1: Fahrzustand
2: Sensor zur Aufnahme von Einflussgrößen
: (z.B. Dreiachsbeschleunigungsaufnehmer)
3: Signale der Einflussgrößen
4: Bandpassfilterung
5: Signale virtueller Einflussgrößen
6: Reduzierende Zählung für virtuelle Einflussgrößen
7: Schadensakkumulation für virtuelle Einflussgrößen
8: rechnerische virtuelle Schädigungskennwerte
9: Sensor zur Aufnahme von Belastungen und Beanspruchungen
: (z.B. Messrad)
10: Signal von Belastung bzw. Beanspruchung
11: Reduzierende Zählung für Belastung bzw. Beanspruchung
12: Schadensakkumulation für Belastung bzw. Beanspruchung
13: Schädigungskennwert der Belastung bzw. Beanspruchung
14: Matrix aus rechnerischen virtuellen Schädigungen der virtuellen
: Einflussgrößen
15: Vektor aus Schädigungen von Belastungen und Beanspruchungen
16: Vektor aus Transferkoeffizienten
17: Unterschiedliche Betriebszustände der Konstruktion im Testbetrieb
18: Unterschiedliche Betriebszustände der Konstruktion im Langzeitbetrieb

Claims

Verfahren zur Beschreibung des phänomenologischen Zusammenhangs zwischen der schädigenden Wirkung von Belastungs- bzw. Beanspruchungsgrößen an einer Konstruktion unter Betriebsbedingungen und der schädigenden Wirkung von an dieser Konstruktion wirkenden Einflussgrößen, dadurch gekennzeichnet, dass: a. die Konstruktion einem Testbetrieb mit den maßgeblichen, unterschiedlichen Betriebsbedingungen und -arten unterworfen wird. b. im Testbetrieb mit geeigneten Sensoren Einflussgrößen und interessierende Belastungs- und Beanspruchungsgrößen gemessen werden. c. Aus im Testbetrieb aufgenommenen Signalen von mindestens einer Einflussgröße, vorzugsweise jedoch drei Einflussgrößen, mit geeigneten Filtern mindestens ein virtuelles Signal erzeugt wird. d. Alle unter c. durch die Filterung erzeugten virtuellen Signale zu mindestens einem definierten Zeitpunkt mit Zählverfahren gezählt und als virtuelle rechnerische schädigende Wirkungen an der Konstruktion bewertet werden. e. Aus im Testbetrieb aufgenommenen Signalen interessierender Beanspruchungs- und Belastungsgrößen in unterschiedlichen Bereichen der Konstruktion zu mindestens einem definierten Zeitpunkt mit Zählverfahren gezählt und in ihrer schädigenden Wirkung an der Konstruktion bewertet werden. f. Der phänomenologische Zusammenhang zwischen den virtuellen rechnerischen schädigenden Wirkungen aller unter d. verarbeiteten virtuellen Größen und den schädigenden Wirkungen aller interessierenden Beanspruchungs- und Belastungsgrößen aus e. mit geeigneten analytischen Ansätzen hergestellt wird. g. An der Konstruktion unter bestimmungsgemäßen Einsatzbedingungen in Langzeitmessungen nur die unter b. gemessenen Einflussgrößen erfasst werden. h. Die unter g erfassten Einflussgrößen gemäß c. gefiltert und gemäß d. gezählt und als virtuelle rechnerische schädigende Wirkungen bewertet werden. i. Aus den virtuellen rechnerischen schädigenden Wirkungen der Einflussgrößen der Langzeitmessungen aus h. die schädigenden Wirkungen aller interessierenden Belastungs- und Beanspruchungsgrößen aus e. unter Verwendung der in f. gefundenen Zusammenhänge rekonstruiert werden.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein erfindungsgemäßes Verfahren bestehend aus den Verfahrensschritten 1a. bis 1i. sich in mindestens eine, vorzugsweise jedoch in drei Verfahrensphasen, insbesondere in einen Einsatz im Testbetrieb, einen Einsatz bei bestimmungsgemäßen Betrieb und eine angeschlossene Rekonstruktionsphase, einteilen lässt.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Testbetrieb aus für den Betrieb der Konstruktion maßgeblichen und unterschiedlichen Betriebsbedingungen und/oder Betriebsarten vorgesehen wird.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Einflussgrößen in mindestens einem geeigneten Frequenzband gefiltert werden, in dem Informationen über das Beanspruchungsgeschehen eines interessierenden Bereichs einer Konstruktion unter Betriebsbedingungen enthalten sind.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Anwendung von Zählverfahren und Schadensakkumulationsrechnungen auf virtuelle Einflussgrößen aus Verfahrenschritt 1c. virtuelle rechnerische schädigende Wirkungen auf eine Konstruktion unter Betriebsbedingungen ermittelt werden.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der phänomenologische Zusammenhang zwischen den virtuellen rechnerischen schädigenden Wirkungen von Einflussgrößen und der schädigenden Wirkungen von Belastungs- bzw. Beanspruchungsgrößen erfindungsgemäß mit geeigneten Ansätzen aus reduzierenden Zählverfahren, vorzugsweise Rainflow, Schadensakkumulationsrechnungen, vorzugsweise nach Palmgreen-Miner modifiziert, und analytischen Methoden hergestellt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die schädigenden Wirkungen aller interessierenden Belastungs- und Beanspruchungsgrößen aus 1e. durch die virtuellen rechnerischen schädigenden Wirkungen der Einflussgrößen aus 1d. mittels einer Operation ähnlich einer Inversion des Verfahrensschrittes 1f. rekonstruierbar sind.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass durch eine erfindungsgemäße Wahl des geeigneten Schadensakkumulationsverfahrens, welches eine Dauertestigkeitsgrenze berücksichtigt, vorzugsweise nach Palmgreen-Miner modifiziert, eine Aussage über das Geschehen an der Konstruktion noch im Dauertestigkeitsbereich ermöglicht wird.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der interessierende Schädigungswert zusammen mit einer Zeitinformation erkannt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Schadensakkumulationsrechnung gegen eine fiktive Wöhlerlinie durchgeführt wird, deren Dauertestigkeitsabknickpunkt erfindungsgemäß bei der halben maximalen Amplitude des Lastkollektives der betrachteten Größe unter bestimmungsgemäßen Einsatzbedingungen gewählt wird.