DE102020122824A1 - Method for generating a model for the assessment and/or prediction of the fatigue strength of components, system - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung eines Modells für die Bewertung und/oder Vorhersage der Betriebsfestigkeit von Bauteilen, die ein erstes verstärktes Kunststoffmaterial aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass- in einem ersten Schritt-- mithilfe von Messungen an einer oder mehreren Proben Daten betreffend einen oder mehrere Parameter und/oder Eigenschaften ermittelt werden, und/oder-- mithilfe von Simulationen von einer oder mehreren Proben Daten betreffend einen oder mehrere Parameter und/oder Eigenschaften ermittelt werden,wobei die eine oder die mehreren Proben jeweils das erste verstärkte Kunststoffmaterial aufweisen;- in einem zweiten Schritt in Abhängigkeit der ermittelten Daten, das Modell für das erste verstärkte Kunststoffmaterial erzeugt wird.The invention relates to a method for generating a model for the assessment and / or prediction of the durability of components that have a first reinforced plastic material, characterized in that - in a first step - using measurements on one or more samples concerning a data or several parameters and/or properties are determined, and/or-- data relating to one or more parameters and/or properties are determined using simulations of one or more samples,wherein the one or more samples each comprise the first reinforced plastic material; - In a second step, depending on the data determined, the model for the first reinforced plastic material is generated.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung eines Modells für die Bewertung und/oder Vorhersage der Betriebsfestigkeit von Bauteilen, die ein erstes verstärktes Kunststoffmaterial aufweisen. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Bewertung und/oder Vorhersage der Betriebsfestigkeit eines Bauteils, ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils sowie ein System zur Erzeugung eines Modells für die Bewertung und/oder Vorhersage der Betriebsfestigkeit von Bauteilen.The invention relates to a method for generating a model for evaluating and/or predicting the durability of components that have a first reinforced plastic material. Furthermore, the invention relates to a method for evaluating and/or predicting the fatigue strength of a component, a method for producing a component and a system for generating a model for evaluating and/or predicting the fatigue strength of components.
Die Betriebsfestigkeit ist ein entscheidender Parameter bei der Bewertung und Prüfung von Bauteilen. Die Betriebsfestigkeit beschreibt die Fähigkeit von Materialien und Bauteilen, statische, quasistatische und dynamische (wiederkehrend oder schlagartig) Belastungen im Rahmen der kalkulierten Lebensdauer und unter Berücksichtigung relevanter Umgebungsbedingungen schadensfrei zu ertragen. Durch die Betriebsfestigkeit werden die Auslegung, Bemessung und Haltbarkeit von Bauteilen und Systemen gegenüber mechanischen Beanspruchungen bewertet.Durability is a crucial parameter when evaluating and testing components. The fatigue strength describes the ability of materials and components to withstand static, quasi-static and dynamic (recurring or sudden) loads within the calculated service life and taking into account the relevant environmental conditions without damage. The operational stability evaluates the design, dimensioning and durability of components and systems in relation to mechanical loads.
Die mechanische Prüfung von realen Bauteilen ist komplex und kostenintensiv, da auf hochspezialisierte Verfahren und Maschinen zur Prüfung und Charakterisierung einzelner Bauteile zurückgegriffen werden muss.The mechanical testing of real components is complex and expensive, since highly specialized methods and machines have to be used to test and characterize individual components.
Für Metallwerkstoffe ist beispielsweise als Bewertungsrichtlinie Rennert, R. et. al., „Analytical Strength Assessment of Components“, FKM-Guidlines 6.th Edition, VDMA-Verlag, Frankfurt (2012) bekannt.For metal materials, for example, Rennert, R. et. al., "Analytical Strength Assessment of Components", FKM-Guidelines 6th Edition, VDMA-Verlag, Frankfurt (2012).
Für Bauteile, die verstärkte Kunststoffmaterialen aufweisen oder aus solchen bestehen, entstehen aufgrund ihrer vielseitigen und vorteilhaften Eigenschaften immer breitere und neuartige Anwendungsmöglichkeiten, beispielsweise in der Fahrzeugtechnik. Eine vorteilhafte Betriebsfestigkeitsbewertung ist daher für eine Vielzahl von Einsatzmöglichkeiten solcher Bauteile wünschenswert. Bei der Bewertung und Prüfung der Betriebsfestigkeit von verstärkten Kunststoffmaterialen ergeben sich durch die komplexen Materialeigenschaften jedoch besondere Anforderungen.For components that have reinforced plastic materials or consist of such, there are always broader and more innovative possible uses, for example in vehicle technology, due to their versatile and advantageous properties. An advantageous fatigue strength assessment is therefore desirable for a large number of possible uses of such components. However, when evaluating and testing the fatigue strength of reinforced plastic materials, there are special requirements due to the complex material properties.
Vor diesem Hintergrund stellt sich die Aufgabe, die Bewertung und/oder Vorhersage der Betriebsfestigkeit von Bauteilen, die ein verstärktes Kunststoffmaterial aufweisen, zu verbessern, sodass insbesondere eine kosten- und/oder zeiteffiziente Charakterisierung der Betriebsfestigkeit möglich wird.Against this background, the task arises of improving the assessment and/or prediction of the fatigue strength of components that have a reinforced plastic material, so that in particular a cost-effective and/or time-efficient characterization of the fatigue strength becomes possible.
Zur Lösung der Aufgabe wird ein Verfahren zur Erzeugung eines Modells für die Bewertung und/oder Vorhersage der Betriebsfestigkeit von Bauteilen, die ein erstes verstärktes Kunststoffmaterial aufweisen, vorgeschlagen, dadurch gekennzeichnet, dass
- - in einem ersten Schritt
- -- mithilfe von Messungen an einer oder mehreren Proben Daten betreffend einen oder mehrere Parameter und/oder Eigenschaften ermittelt werden, und/oder
- -- mithilfe von Simulationen von einer oder mehreren Proben Daten betreffend einen oder mehrere Parameter und/oder Eigenschaften ermittelt werden,
- - in einem zweiten Schritt in Abhängigkeit der ermittelten Daten, das Modell für das erste verstärkte Kunststoffmaterial erzeugt wird.
- - in a first step
- -- data relating to one or more parameters and/or properties are determined by means of measurements on one or more samples, and/or
- -- data relating to one or more parameters and/or properties are determined by means of simulations of one or more samples,
- - In a second step, depending on the data determined, the model for the first reinforced plastic material is generated.
Hierdurch ist es erfindungsgemäß möglich, ein Modell für ein bestimmtes erstes verstärktes Kunststoffmaterial zu erzeugen, das im Folgenden für die Bewertung bzw. Prüfung der Betriebsfestigkeit von Bauteilen verwendet werden kann, die dieses bestimmte erste verstärkte Kunststoffmaterial aufweisen oder teilweise oder vollständig aus diesem bestehen. Hierdurch kann mithilfe des Modells eine effiziente und kostensparende Bewertung durchgeführt werden. Ferner kann erfindungsgemäß eine Vorhersage für die Tauglichkeit von verschiedenen bzw. unterschiedlichen Bauteilen (die jeweils das erste verstärkte Kunststoffmaterial aufweisen) für verschiedene Anwendungen gemacht werden.This makes it possible according to the invention to generate a model for a specific first reinforced plastic material that can subsequently be used for evaluating or testing the fatigue strength of components that have this specific first reinforced plastic material or consist partially or entirely of it. As a result, an efficient and cost-saving evaluation can be carried out using the model. Furthermore, according to the invention, a prediction can be made for the suitability of various or different components (each having the first reinforced plastic material) for different applications.
Es ist erfindungsgemäß in vorteilhafter Weise denkbar, eine Bewertungsmethode für die Materialklasse der verstärkten Kunststoffmaterialen zu ermöglichen. Für die simulative Bewertung dieser Produkte kann eine mehrstufige Simulationskette verwendet werden. Mithilfe einer integrierten Bedatung und Validierung kann ein Modell erzeugt werden. Diese Erkenntnisse und Materialdaten können erfindungsgemäß in vorteilhafter Weise im Zuge einer virtuellen Festigkeitsbewertung in die Anwendung gebracht werden. Das erfindungsgemäß erzeugte Modell kann in vorteilhafter Weise für die Bewertung und/oder Vorhersage der Betriebsfestigkeit für jedes Produkt bzw. Bauteil, in dem das erste verstärkte Kunststoffmaterial verarbeitet wurde oder verarbeitet werden soll, angewendet werden.According to the invention, it is conceivable in an advantageous manner to enable an evaluation method for the material class of reinforced plastic materials. A multi-stage simulation chain can be used for the simulative evaluation of these products. A model can be created with the help of integrated calibration and validation. According to the invention, these findings and material data can advantageously be used in the course of a virtual strength assessment. The model generated according to the invention can advantageously be used for evaluating and/or predicting the durability for each product or component in which the first reinforced plastic material has been or is to be processed.
Es ist vorzugsweise möglich, dass das erzeugte Modell den real existierenden Belastungszustand abbildet, beispielsweise eine Kombination aus Last, Feuchtigkeit, Faserorientierung und ggf. weiteren Parametern und Eigenschaften.It is preferably possible for the generated model to depict the actually existing load condition, for example a combination from load, moisture, fiber orientation and, if necessary, other parameters and properties.
Ein verstärktes Kunststoffmaterial kann erfindungsgemäß insbesondere als Kunststoff verstanden werden, der Verstärkungen in Form von mindestens einem Füllstoff aufweist. Beispiele sind faserverstärkte Kunststoffe oder mit Partikeln verstärkte Kunststoffe.According to the invention, a reinforced plastic material can be understood in particular as a plastic that has reinforcements in the form of at least one filler. Examples are fiber-reinforced plastics or plastics reinforced with particles.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist vorzugsweise ein computerimplementiertes Verfahren.The method according to the invention is preferably a computer-implemented method.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen sowie der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen entnehmbar.Advantageous configurations and developments of the invention can be found in the subclaims and the description with reference to the drawings.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass das Modell im zweiten Schritt mithilfe einer mehrdimensionalen Interpolation, insbesondere einer multiplen linearen und/oder nichtlinearen Regression und/oder einer Optimierungsmethode nach mehreren Parametern, und/oder einem künstlichen Intelligenz-Verfahren, insbesondere einem neuronalen Netz, in Abhängigkeit der Daten erzeugt wird. Das für die Bewertung notwendige Modell kann somit im zweiten Schritt durch geeignete multidimensionale Interpolationen mittels Optimierungsmethoden und/oder über künstlicher Intelligenz-Verfahren, wie neuronale Netze, an reale (und ggf. simulierte) Testdaten, die im ersten Schritt erhalten wurden, gefittet werden. Der zweite Schritt findet vorzugsweise computerimplementiert statt.According to an advantageous embodiment of the invention, it is provided that the model in the second step using a multidimensional interpolation, in particular a multiple linear and / or non-linear regression and / or an optimization method according to several parameters, and / or an artificial intelligence method, in particular one neural network, depending on which data is generated. In the second step, the model required for the evaluation can be fitted to real (and possibly simulated) test data obtained in the first step by means of suitable multidimensional interpolations using optimization methods and/or artificial intelligence methods such as neural networks. The second step preferably takes place in a computer-implemented manner.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass die im ersten Schritt ermittelten Daten Informationen zu der gemessenen und/oder simulierten Betriebsfestigkeit der einen oder mehreren Proben aufweisen.According to an advantageous embodiment of the invention, it is provided that the data determined in the first step contain information on the measured and/or simulated fatigue strength of the one or more samples.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist es denkbar, dass die im ersten Schritt gemessenen Daten zumindest teilweise mithilfe von statischen und/oder zyklischen Belastungsmessungen und/oder mithilfe von Kriechversuchen ermittelt werden. Für den relevanten Parameterraum für die Betriebsfestigkeitsbewertung (beispielsweise umfassend die Last, Feuchtigkeit, Faserorientierung und typischerweise weitere Parameter und/oder Eigenschaften) können dabei in der Praxis nur bestimmte Stellen bzw. Parameterkombinationen (in diesem Parameterraum) durch reale Messungen bzw. Versuche erhalten bzw. geprüft werden. Diese realen Daten, die in einem ersten Schritt erhalten werden, sind die Grundlage für die Erzeugung des Modells in diesem Parameterraum im zweiten Schritt. Das Modell kann vorzugsweise auf der Grundlage der realen Daten des ersten Schritts erzeugt werden. According to an advantageous embodiment of the invention, it is conceivable for the data measured in the first step to be determined at least partially with the aid of static and/or cyclic load measurements and/or with the aid of creep tests. For the relevant parameter space for the fatigue strength assessment (e.g. comprising the load, moisture, fiber orientation and typically other parameters and/or properties), in practice only certain points or parameter combinations (in this parameter space) can be obtained or determined through real measurements or tests. being checked. This real data, obtained in a first step, is the basis for generating the model in this parameter space in the second step. The model can preferably be generated based on the real data of the first step.
Somit kann ein Modell für den gesamten Parameterraum erhalten werden, das auch Stellen bzw. Parameterkombinationen im Parameterraum umfasst, die im ersten Schritt nicht explizit vermessen wurden.A model can thus be obtained for the entire parameter space, which also includes points or parameter combinations in the parameter space that were not explicitly measured in the first step.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die im ersten Schritt ermittelten Daten Informationen zu einem oder mehreren Parametern und/oder Eigenschaften der Proben aufweisen, und/oder dass die im ersten Schritt ermittelten Daten Informationen zu einem oder mehreren Parametern betreffend Umgebungseinflüsse, denen die Proben bei der Ermittlung der Daten (insbesondere während den Messungen im ersten Schritt) ausgesetzt sind, aufweisen.According to an advantageous embodiment of the invention it is provided that the data determined in the first step have information on one or more parameters and / or properties of the samples, and / or that the data determined in the first step information on one or more parameters relating to environmental influences, which the samples are exposed during the collection of the data (especially during the measurements in the first step).
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass die im ersten Schritt ermittelten Daten für eine, mehrere oder jede der Proben Informationen zu einem oder mehreren der folgenden Parameter und/oder Eigenschaften aufweisen:
- - einer, insbesondere lokalen, Temperatur der Probe,
- - einer, insbesondere lokalen, Feuchtigkeit der Probe, bevorzugt einer Wasserfeuchtigkeit,
- - einer geometrischen Ausbildung der Probe, insbesondere zu lokalen mechanischen Spannungszuständen, bevorzugt Normal- und/oder Subspannungen, und/oder Spannungsgradienten innerhalb der Probe,
- - einer Faserorientierung eines Füllstoffs des ersten verstärkten Kunststoffmaterials in der Probe,
- - Einflüssen von Umgebungsmedien der Probe, insbesondere von lokal vorhandenen Ölen und/oder Fetten, und/oder
- - Einflüssen von Bindenähten der Probe,
- - einem, insbesondere lokalen, Spannungsverhältnis und/oder einer Mittelspannung der Probe bei zyklischer Prüfung (Belastung und Entlastung). Mithilfe einiger oder aller der vorhergehend aufgeführten Parameter und Eigenschaften ist der Parameterraum gebildet, für den das Modell ermittelt wird. Durch die Messungen und/oder Simulationen im ersten Schritt werden für bestimmte Stellen in diesem Parameterraum Datensätze erhalten, auf deren Grundlage im zweiten Schritt das Modell für diesen Parameterraum erzeugt werden kann. Mithilfe des erzeugten Modells können somit Bewertungen und/oder Vorhersagen bezüglich des Parameterraums durchgeführt werden, auch für Stellen bzw. spezifische Parameterkombinationen innerhalb des Parameterraums, die im ersten Schritt nicht vermessen wurden.
- - a, in particular local, temperature of the sample,
- - a, in particular local, moisture of the sample, preferably a water moisture,
- - a geometric design of the sample, in particular to local mechanical stress states, preferably normal and/or sub-stresses, and/or stress gradients within the sample,
- - a fiber orientation of a filler of the first reinforced plastic material in the sample,
- - Influences from the media surrounding the sample, in particular from locally present oils and/or fats, and/or
- - influences of weld lines of the sample,
- - a, in particular local, stress ratio and/or a mean stress of the sample during cyclic testing (loading and unloading). The parameter space for which the model is determined is formed using some or all of the parameters and properties listed above. Through the measurements and/or simulations in the first step, data sets are obtained for specific points in this parameter space, on the basis of which the model for this parameter space can be generated in the second step. The generated model can thus be used to carry out assessments and/or predictions with regard to the parameter space, even for points or specific parameter combinations within the parameter space that were not measured in the first step.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass das erste verstärkte Kunststoffmaterial eine Polymermatrix und einen Füllstoff umfasst, wobei bevorzugt
- - der Füllstoff ein Fasermaterial, insbesondere Glasfasern und/oder Kohlenstofffasern, umfasst, und/oder
- - der Füllstoff mineralische Partikel umfasst. Für die Polymermatrix kommen vorzugsweise duroplastische und/oder thermoplastische Kunststoffe infrage. Das Fasermaterial des Füllstoffs kann insbesondere Superkurzfasern, Kurzfasern und/oder Langfasern umfassen. Die durchschnittlichen Faserlängen liegen dementsprechend vorzugsweise im Millimeter- oder Zentimeterbereich. Bei den Partikeln des Füllstoffs kann es sich beispielsweise um Kügelchen oder Fasern handeln.
- - the filler comprises a fiber material, in particular glass fibers and/or carbon fibers, and/or
- - the filler comprises mineral particles. Thermosetting and/or thermoplastic plastics are preferably suitable for the polymer matrix. The fibrous material of the filler can in particular comprise super short fibers, short fibers and/or long fibers. Accordingly, the average fiber lengths are preferably in the millimeter or centimeter range. The particles of the filler can be, for example, beads or fibers.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es denkbar, dass das Verfahren zur Erzeugung eines Modells für die Bewertung und/oder Vorhersage der Betriebsfestigkeit von Bauteilen, die ein erstes verstärktes Kunststoffmaterial aufweisen, ferner ein Verfahren zur Erzeugung eines weiteren Modells für die Bewertung und/oder Vorhersage der Betriebsfestigkeit von Bauteilen, die ein zweites verstärktes Kunststoffmaterial aufweisen, umfasst, wobei
- - in einem weiteren ersten Schritt
- -- mithilfe von Messungen an einer oder mehreren weiteren Proben Daten betreffend einen oder mehrere Parameter und/oder Eigenschaften ermittelt werden, und/oder
- -- mithilfe von Simulationen von einer oder mehreren weiteren Proben Daten betreffend einen oder mehrere Parameter und/oder Eigenschaften ermittelt werden, wobei die eine oder die mehreren weiteren Proben jeweils ein zweites verstärktes Kunststoffmaterial aufweisen;
- - in einem weiteren zweiten Schritt in Abhängigkeit der ermittelten Daten, das weitere Modell für das zweite verstärkte Kunststoffmaterial erzeugt wird. Das weitere Modell für das zweite verstärkte Kunststoffmaterial kann dabei entsprechend dem Modell für das erste Kunststoffmaterial erzeugt werden. Entsprechend können auch für ein drittes oder noch weitere verstärkte Kunststoffmaterialien Modelle erzeugt werden. Es ist somit denkbar, dass pro spezifischem verstärktem Kunststoffmaterial mithilfe eines Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung ein eigenes Modell erzeugt wird, das für dieses spezifische verstärkte Kunststoffmaterial verwendet werden kann bzw. gültig ist.
- - in another first step
- -- data relating to one or more parameters and/or properties are determined by means of measurements on one or more other samples, and/or
- -- with the aid of simulations of one or more further samples, data relating to one or more parameters and/or properties are determined, wherein the one or more further samples each have a second reinforced plastic material;
- - In a further second step, depending on the data determined, the further model for the second reinforced plastic material is generated. The additional model for the second reinforced plastic material can be generated in accordance with the model for the first plastic material. Correspondingly, models can also be produced for a third or even further reinforced plastic material. It is thus conceivable that for each specific reinforced plastic material, a separate model is generated with the aid of a method according to the present invention, which model can be used or is valid for this specific reinforced plastic material.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Bewertung und/oder Vorhersage der Betriebsfestigkeit eines Bauteils mithilfe eines gemäß einem Verfahren gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erzeugten Modells,
wobei das Bauteil das erste verstärkte Kunststoffmaterial aufweist,
wobei mithilfe des erzeugten Modells die Betriebsfestigkeit des Bauteils bewertet und/oder vorhergesagt wird. Verstärkte Polymere, also insbesondere Polymere, welche mit Füllstoffpartikeln, wie Fasern oder Kugeln gefüllt sind, weisen stark anisotrope, viskoelastoplastische, temperaturabhängige Eigenschaften auf, welche zusätzlich medienabhängig, beispielsweise feuchtigkeitsabhängig, sind. Des Weiteren findet man in Bauteilen aus Polymeren neben äußerlichen Kerben auch innere Schwachstellen, sogenannte Bindenähte. Mithilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Erzeugung eines Modells für die Bewertung und/oder Vorhersage der Betriebsfestigkeit von Bauteilen ist es möglich, im Rahmen einer integrativen Simulationskette, von der Füllsimulation über transiente Temperatur- und/oder Feuchtefeldberechnung hin zur zeitabhängigen, nichtlinearen mechanischen Simulation, eine Festigkeitsbewertung aller relevanten Schädigungsmechanismen für Bauteile, die ein bestimmte verstärktes Kunststoffmaterial (beispielsweise das erste verstärkte Kunststoffmaterial) aufweisen, durchzuführen. Somit kann mithilfe des erzeugten Modells ein Verfahren zur Bewertung und/oder Vorhersage der Betriebsfestigkeit eines Bauteils implementiert werden. Mithilfe des Verfahrens ist es vorzugsweise möglich, dass zu einem Zeitpunkt, an dem das Bauteil erst virtuell besteht und insbesondere noch nicht hergestellt wurde, vorhergesagt werden kann, ob es den späteren realen Lasten widersteht.Another subject of the present invention is a method for evaluating and/or predicting the durability of a component using a model generated according to a method according to an embodiment of the present invention,
wherein the component comprises the first reinforced plastic material,
wherein the fatigue strength of the component is evaluated and/or predicted using the generated model. Reinforced polymers, ie in particular polymers which are filled with filler particles such as fibers or spheres, have strongly anisotropic, viscoelastoplastic, temperature-dependent properties which are also dependent on the medium, for example humidity. Furthermore, in addition to external notches, there are also internal weak points, so-called weld lines, in components made of polymers. Using the method according to the invention for generating a model for evaluating and/or predicting the structural strength of components, it is possible, within the framework of an integrative simulation chain, from filling simulation to transient temperature and/or moisture field calculation to time-dependent, nonlinear mechanical simulation, to carry out a strength assessment all relevant damage mechanisms for components that have a specific reinforced plastic material (e.g. the first reinforced plastic material). A method for evaluating and/or predicting the fatigue strength of a component can thus be implemented using the generated model. With the help of the method, it is preferably possible that at a point in time when the component only exists virtually and, in particular, has not yet been manufactured, it can be predicted whether it will withstand the later real loads.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es denkbar, dass mithilfe des erzeugten Modells die Betriebsfestigkeit eines weiteren Bauteils bewertet und/oder vorhergesagt wird, wobei das weitere Bauteil ebenfalls das erste verstärkte Kunststoffmaterial aufweist, wobei das weitere Bauteil eine andere geometrische Ausbildung aufweist als das Bauteil. Es ist somit denkbar, dass das erzeugte Modell für das erste verstärkte Kunststoffmaterial zur Prüfung und Bewertung der Betriebsfestigkeit einer Vielzahl von spezifischen Bauteilen verwendet wird, die jeweils mithilfe des ersten verstärkten Kunststoffmaterials gefertigt sind bzw. dieses aufweisen. Somit kann die Betriebsfestigkeit von Bauteilen unterschiedlicher Geometrie und Ausgestaltung durch das einmal erzeugte Modell bewertet und vorhergesagt werden.According to one embodiment of the present invention, it is conceivable that the fatigue strength of a further component is evaluated and/or predicted using the generated model, the further component also having the first reinforced plastic material, the further component having a different geometric configuration than the component . It is thus conceivable that the generated model for the first reinforced plastic material is used for testing and evaluating the durability of a large number of specific components which are each manufactured using or have the first reinforced plastic material. Thus, the fatigue strength of components with different geometries and configurations can be evaluated and predicted by the model once it has been created.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils, wobei das Bauteil ein erstes verstärktes Kunststoffmaterial aufweist,
wobei in einem Bewertungsschritt mithilfe eines Verfahrens zur Bewertung und/oder Vorhersage der Betriebsfestigkeit eines Bauteils gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung die Betriebsfestigkeit des Bauteils bewertet und/oder vorhergesagt wird;
wobei in einem Herstellungsschritt das Bauteil hergestellt wird. Die Betriebsfestigkeit eines zur Fertigung vorgesehenen Bauteils kann somit insbesondere vor der Herstellung des Bauteils vorhergesagt und/oder bewertet werden. Es ist besonders vorteilhaft möglich, dass das Bauteil hergestellt bzw. gefertigt wird, wenn die Bewertung und/oder Vorhersage der Betriebsfestigkeit ergibt, dass die Betriebsfestigkeit des Bauteils einer Vorgabe entspricht
und/oder festlegbare Kriterien erfüllt. Somit kann der Aufwand bei der Entwicklung neuer Bauteile verringert werden, da eine vorteilhafte Bewertung der Betriebsfestigkeit möglich wird. Es ist somit vorteilhafterweise möglich, vor der Herstellung des Bauteils, eine Abschätzung über die Betriebsfestigkeit zu treffen.Another object of the invention is a method for producing a component, wherein the component comprises a first reinforced plastic material,
wherein in an evaluation step, the durability of the component is evaluated and/or predicted using a method for evaluating and/or predicting the durability of a component according to an embodiment of the present invention;
wherein the component is produced in a production step. The fatigue strength of a component intended for production can thus be predicted and/or evaluated in particular before the component is produced. It is particularly advantageously possible for the component to be produced or manufactured if the assessment and/or prediction of the operational stability shows that the operational stability of the component corresponds to a specification
and/or definable criteria are met. In this way, the effort involved in developing new components can be reduced, since an advantageous evaluation of operational stability becomes possible. It is thus advantageously possible to make an assessment of the fatigue strength before the component is manufactured.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein System zur Erzeugung eines Modells für die Bewertung und/oder Vorhersage der Betriebsfestigkeit von Bauteilen, die ein erstes verstärktes Kunststoffmaterial aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass das System derart konfiguriert ist,
- -- dass mithilfe von Messungen an einer oder mehreren Proben Daten betreffend einen oder mehrere Parameter und/oder Eigenschaften ermittelt werden, und/oder
- -- dass mithilfe von Simulationen von einer oder mehreren Proben Daten betreffend den einen oder die mehreren Parameter und/oder Eigenschaften ermittelt werden,
wobei die Proben jeweils das erste verstärkte Kunststoffmaterial aufweisen;
wobei das System ferner derart konfiguriert ist,
dass in Abhängigkeit der ermittelten Daten das Modell für das erste verstärkte Kunststoffmaterial erzeugt wird. Das System kann insbesondere ein computerimplementiertes System sein. Das erzeugte Modell ist für ein bestimmtes erstes verstärktes Kunststoffmaterial gültig. Das Modell ist vorzugsweise derart eingerichtet, dass mithilfe des Modells die Betriebsfestigkeit (Lebenszeit, Abnutzung usw.) für unterschiedliche, insbesondere beliebige, Bauteile (und somit beliebige Bauteilgeometrien) bewertet bzw. vorhergesagt werden kann, sofern die Bauteile das erste verstärkte Kunststoffmaterial aufweisen oder aus dem ersten verstärkten Kunststoffmaterial bestehen.A further object of the invention is a system for generating a model for evaluating and/or predicting the durability of components comprising a first reinforced plastic material, characterized in that the system is configured in such a way
- -- that data relating to one or more parameters and/or properties are obtained by means of measurements on one or more samples, and/or
- -- that data relating to one or more parameters and/or properties are determined using simulations of one or more samples,
the samples each comprising the first reinforced plastic material;
the system being further configured such that
that depending on the data determined, the model for the first reinforced plastic material is generated. In particular, the system can be a computer-implemented system. The model generated is valid for a specific first reinforced plastic material. The model is preferably set up in such a way that the model can be used to evaluate or predict the operational stability (service life, wear and tear, etc.) for different, in particular any, components (and thus any component geometries), provided that the components have or are made of the first reinforced plastic material the first reinforced plastic material.
Für das erfindungsgemäße Verfahren zur Bewertung und/oder Vorhersage der Betriebsfestigkeit eines Bauteils, das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines Bauteils und das erfindungsgemäße System zur Erzeugung eines Modells können die Vorteile und Ausgestaltungen Anwendung finden, die bereits im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Erzeugung eines Modells für die Bewertung und/oder Vorhersage der Betriebsfestigkeit von Bauteilen oder im Zusammenhang mit einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Erzeugung eines Modells für die Bewertung und/oder Vorhersage der Betriebsfestigkeit von Bauteilen beschrieben worden sind.For the method according to the invention for evaluating and/or predicting the fatigue strength of a component, the method according to the invention for producing a component and the system according to the invention for creating a model, the advantages and configurations can be applied which have already been mentioned in connection with the method according to the invention for creating a model for evaluating and/or predicting the durability of components or in connection with an embodiment of the method according to the invention for generating a model for evaluating and/or predicting the durability of components.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung sollen nachfolgend anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele erläutert werden. Hierin zeigt:
-
1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Erzeugung eines Modells; und -
2 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Bewertung und/oder Vorhersage der Betriebsfestigkeit eines Bauteils.
-
1 a schematic representation of an embodiment of a method according to the invention for generating a model; and -
2 a schematic representation of an embodiment of a method according to the invention for evaluating and / or predicting the durability of a component.
In
- - einer Temperatur der
10, 11, 12,Probe - - einer Feuchtigkeit der
10, 11, 12Probe - - einer geometrischen Ausbildung der
10, 11, 12, insbesondere zu lokalen mechanischen Spannungen und/oder Spannungsgradienten innerhalb derProbe 10, 11, 12,Probe - - einer Faserorientierung eines Füllstoffs des ersten verstärkten Kunststoffmaterials in der
10, 11, 12,Probe - - Einflüssen von
10, 11, 12,Umgebungsmedien der Probe - - Einflüssen von
10, 11, 12,Bindenähten der Probe - - einem, insbesondere lokalen, Spannungsverhältnis und/oder einer Mittelspannung der
10, 11, 12 bei zyklischer Prüfung. Die betrachteten Parameter bzw. Eigenschaften bilden einen Parameterraum. Diese realen Daten, die in einem ersten Schritt erhalten werden, sind die Grundlage für die Erzeugung bzw.Probe Ermittlung eines Modells 104 betreffend diesen Parameterraum im zweiten Schritt.
- - a temperature of the
10, 11, 12,sample - - a humidity of the
10, 11, 12sample - - a geometric design of the
10, 11, 12, in particular with regard to local mechanical stresses and/or stress gradients within thesample 10, 11, 12,sample - - a fiber orientation of a filler of the first reinforced plastic material in the
10, 11, 12,sample - - Influences of environmental media of
10, 11, 12,sample - - Influences of weld lines of
10, 11, 12,sample - - A, in particular local, stress ratio and/or a mean stress of the
10, 11, 12 during cyclic testing. The parameters or properties considered form a parameter space. This real data, which is obtained in a first step, is the basis for the generation or determination of asample model 104 relating to this parameter space in the second step.
Aus den erhaltenen Daten 103 wird in einem zweiten Schritt, ein Modell 104 für das erste verstärkte Kunststoffmaterial erzeugt. Es ist somit vorzugsweise möglich, dass das erzeugte Modell einen real existierenden Belastungszustand abbildet, insbesondere eine Kombination aus Last, Feuchtigkeit, Faserorientierung und den weiteren betrachteten Parametern und Eigenschaften.In a second step, a
Das Modell 104 wird im zweiten Schritt 102 mithilfe einer multidimensionalen Interpolation (betreffend den betrachteten Parameterraum), einer multiplen Regression (betreffend den betrachteten Parameterraum), und/oder ein Optimierungsverfahren nach mehreren Parametern (betreffend den betrachteten Parameterraum) erzeugt bzw. gefittet, und/oder mithilfe eines künstliche-Intelligenz-Verfahrens, wie einem neuronalen Netz, erzeugt.In the
Erfindungsgemäß kann pro spezifischem verstärktem Kunststoffmaterial mithilfe eines Verfahrens der vorliegenden Erfindung ein eigenes Modell 104 erzeugt werden, das für dieses spezifische verstärkte Kunststoffmaterial verwendet werden kann bzw. gültig ist.According to the invention, a
Das erfindungsgemäß Verfahren dient dazu, im Rahmen einer integrativen Simulationskette, von der Füllsimulation über transiente Temperatur- und Feuchtefeldberechnung hin zur zeitabhängigen, nichtlinearen mechanischen Simulation, und darauf aufbauend eine Festigkeitsbewertung aller relevanten Schädigungsmechanismen durchzuführen. Vorzugsweise werden die komplexen Daten dabei stets benutzergerecht aufbereitet und mittels geeigneter automatisierter Schnittstellen direkt in die integrative Simulationskette integriert und/oder mit übersichtlich gestalteten grafischen Oberflächen bedarfsgerecht präsentiert. Dabei umfasst der Algorithmus bzw. das Verfahren bevorzugt einen standardisierten Arbeitsablauf, um die Qualität der Ergebnisse unabhängig vom spezifischen Bearbeiter zu gewährleisten. Hohe Automatisierungsgrade für den Austausch von Datenmodellen können dabei besonders vorteilhaft die Effizienz erhöhen. Das Verfahren betrifft ferner die Bedatung der Modelle (bzw. des Modells 104, das im zweiten Schritt erzeugt wird, sowie weitere Modelle für andere spezifische verstärkte Kunststoffmaterialien). Es ist vorzugsweise möglich, dass das Verfahren bzw. der Algorithmus einen geeigneten Versuchsplan bereitstellt, beispielsweise aus statischen und zyklischen Versuchen, Kriechversuchen etc., um mittels speziell gestalteter Probengeometrien (im ersten Schritt 101) die Materialmodelle optimiert zu bedaten. Zusätzlich ist es denkbar, dass virtuelle Versuchspläne, beispielsweise anisotrope und/oder Multiskalen-Simulationen bereitgestellt und im ersten Schritt 101 durchgeführt werden, um die Testdaten für die Materialmodelle aufzuwerten, sodass besonders vorteilhafte Daten 103 erzeugt werden.The method according to the invention serves to carry out a strength assessment of all relevant damage mechanisms within the framework of an integrative simulation chain, from the filling simulation via transient temperature and humidity field calculation to the time-dependent, nonlinear mechanical simulation. The complex data is preferably always prepared in a user-friendly manner and integrated directly into the integrative simulation chain by means of suitable automated interfaces and/or presented as required with clearly designed graphical interfaces. In this case, the algorithm or the method preferably includes a standardized workflow in order to ensure the quality of the results independently of the specific processor. High degrees of automation for the exchange of data models can increase efficiency in a particularly advantageous way. The method also relates to the parameterization of the models (or the
In
Das erfindungsgemäße Verfahren betrifft somit insbesondere die betriebsfestigkeitliche Bewertung von verstärkten Polymerbauteilen. Dabei umfasst das Verfahren bevorzugt alle für die Bewertung relevanten Stationen von der Modellbildung und der Validierung (insbesondere im ersten und zweiten Schritt 101, 102) der simulativen Bewertung und der Überwachung physischer Versuche.The method according to the invention thus relates in particular to the operational stability assessment of reinforced polymer components. The method preferably includes all stations relevant to the assessment from modeling and validation (in particular in the first and
BezugszeichenlisteReference List
- 10, 11, 1210, 11, 12
- Probenrehearse
- 101101
- erster Schrittfirst step
- 102102
- zweiter Schrittsecond step
- 103103
- DatenData
- 104104
- Modellmodel
- 200200
- Bauteilcomponent
- 201201
- weiteres Bauteilanother component
- 202202
- weiteres Bauteilanother component
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Citations (4)
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---|---|---|---|---|
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-
2020
- 2020-09-01 DE DE102020122824.4A patent/DE102020122824A1/en not_active Withdrawn
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