DE102008047958A1 - Verfahren zur beanspruchungsabhängigen Auslegung eines Bauteils - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur beanspruchungsabhängigen Auslegung eines Bauteils oder einer Bauteilkombination, insbesondere eines Kraftwagens, mit den Schritten:
a) Ermitteln wenigstens eines zeitabhängigen Beanspruchungsparametersatzes mit wenigstens einem Beanspruchungsparameter, wobei jedem Wert eines Beanspruchungsparameters ein jeweiliger Randbedingungssatz mit wenigstens einer Randbedingung zugeordnet ist;
b) Zusammenfassen von Werten von Beanspruchungsparametern, denen der jeweils gleiche Randbedingungssatz zugeordnet ist, in Beanspruchungsparametergruppen;
c) Klassieren der Beanspruchungsparametergruppen;
d) Erzeugen einer Menge von simulierten Bauteilen durch zufälliges Auswählen einer Mehrzahl von Werten von Beanspruchungsparametern aus den klassierten Beanspruchungsparametergruppen;
e) Bestimmen einer Gesamtbelastung für jedes simulierte Bauteil durch Summieren über die Mehrzahl von Werten und/oder die zugeordneten Klassierungen;
f) Bestimmen einer Referenzbelastung, welche größer oder gleich der Gesamtbelastung eines vorgegebenen Anteils an simulierten Bauteilen ist, anhand einer Verteilungsfunktion der Gesamtbelastung über die Menge von simulierten Bauteilen;
g) Auslegen des Bauteils anhand der Referenzbelastung.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur beanspruchungsabhängigen Auslegung eines Bauteils oder einer Bauteilkombination, insbesondere eines Kraftwagens.
• Die Auslegung von Bauteilen und Bauteilkombinationen insbesondere für Kraftwagen erfolgt herkömmlicher Weise durch die Ermittlung von Referenzdaten der Bauteilbelastung, welche mittels Testfahrzeugen auf Teststrecken gewonnen werden. Hierbei soll zum einen eine Überdimensionierung von Bauteilen vermieden werden, um Gewicht einzusparen, zum anderen ist an die Bauteile der Anspruch zu stellen, das sie den üblichen, während der Lebensdauer kumulativ auf die Bauteile einwirkenden Belastungen Stand zu halten vermögen. Die Belastbarkeit der Bauteile ist dabei durch entsprechende Versuche relativ genau zu ermitteln. Das Problem bei der Bauteilauslegung liegt vielmehr in der ungenauen Kenntnis der zu erwartenden Belastungsverläufe über die Lebensdauer des Bauteiles hinweg. Um diesen unbekannten Einflussfaktoren Rechnung zu tragen müssen die Bauteile daher in der Regel überdimensioniert werden, um eine hinreichende Haltbarkeit zu gewährleisten.
• Es ist somit Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren der eingangs genannten Art so weiter zu entwickeln, dass eine verbesserte beanspruchungsabhängige Auslegung von Bauteilen ermöglicht und eine Überdimensionierung vermieden wird.
• Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
• Bei einem solchen Verfahren wird zunächst wenigstens ein zeitabhängiger Beanspruchungsparametersatz mit wenigstens einem Beanspruchungsparameter für das auszulegende Bauteil ermittelt. Jedem Wert eines Beanspruchungsparameters ist dabei ein jeweiliger Randbedingungssatz mit wenigstens einer Randbedingung zugeordnet. Die Beanspruchungsparameter können dabei übliche physikalische Lastgrößen, wie beispielsweise auf das Bauteil einwirkende Längs-, Hoch- und Querkräfte, Bauteiltemperaturen, Schwingungen und dergleichen umfassen. Die Randbedingungssätze umfassen weiterhin zusätzliche Informationen, welche charakterisieren, unter welchen Bedingungen der jeweils zugeordnete Wert des Beanspruchungsparameters aufgetreten ist. Hierunter fallen beispielsweise im Falle eines Kraftfahrzeuges der Zustand der Straßenoberfläche, Kategorie der gefahrenen Straße, Fahrweise des Fahrers, Beladungssituation des Fahrzeugs und dergleichen. Das Ermitteln derartiger Beanspruchungsparametersätze kann im Rahmen kontrollierter Testfahrten mit repräsentativen Fahrzeugen einer Fahrzeugklasse erfolgen. Es ist jedoch auch möglich, solche Daten direkt beim Endverbraucher zu erheben, und für die Weiterentwicklung des jeweiligen Bauteiles zu benutzen.
• Im folgenden Verfahrensschritt werden Werte der Beanspruchungsparameter, denen der jeweils gleiche Randbedingungssatz zugeordnet ist, in Beanspruchungsparametergruppen zusammengefasst. Eine derartige Beanspruchungsparametergruppe umfasst also in anderen Worten alle Werte der Beanspruchungsparameter, die unter denselben Randbedingungen zustande gekommen sind. Hierdurch kann somit der Einfluss einzelner Randbedingungen und Randbedingungskombinationen auf die Belastung des auszulegenden Bauteils bestimmt werden.
• Im folgenden Schritt erfolgt nun eine Klassierung der Beanspruchungsparametergruppen, um letztendlich die in der Zeitdomäne erhobenen Beanspruchungsparametersätze nach im Wesentlichen bekannten Verfahren der Auslegungsrechnung in die Frequenzdomäne oder Energiedomäne zu überführen, also Lastkollektive zu berechnen.
• Es steht nun eine Vielzahl von Datensätzen zur Verfügung, welche die Häufigkeit des Auftretens bestimmter Lastzustände auf das Bauteil unter bestimmten Randbedingungen oder Randbedingungskombinationen wiedergeben. Jedem Datensatz ist zudem die Dauer der Lasteinwirkung zugeordnet, so dass jeder Datensatz einem Ausschnitt der Lebenszeit des auszulegenden Bauteils mit einer jeweiligen spezifischen Belastungssituation entspricht. Hierdurch ist es nun möglich, im folgenden Verfahrensschritt eine Menge von simulierten Bauteilen zu erzeugen. Hierzu wird eine Mehrzahl von Werten von Beanspruchungsparametern aus den klassierten Beanspruchungsparametergruppen zufällig ausgewählt, so dass die Gesamtheit der ausgewählten Werte die Belastung über die gedachte Lebensdauer des simulierten Bauteiles widerspiegelt. Durch das zufällige Erzeugen einer hinreichend großen Menge solcher simulierter Bauteile mit jeweils zugeordneten Belastungsgeschichten wird somit eine statistische Datenbasis geschaffen, welche die Auslegung des Bauteils auf Grundlage einer statistisch zu erwartenden mittleren Belastungsgeschichte des Bauteils ermöglicht.
• Im folgenden Schritt wird hierzu eine Gesamtbelastung über die gesamte gedachte Lebensdauer für jedes simulierte Bauteil bestimmt. An Hand der Verteilungsfunktion der Gesamtbelastungen über die gesamte Menge von simulierten Bauteilen ist es nun möglich, eine Referenzbelastung zu bestimmen, welche Grundlage für die beanspruchungsabhängige Auslegung bildet. Diese stellt einen Maximalwert der Belastung dar, der von einem vorgegebenen Anteil simulierter Bauteile nicht überschritten wird. Die Auslegung erfolgt somit vorteilhafter Weise auf einer breiten statistischen Basis, die jedoch mittels des geschilderten Verfahrens gewonnen werden kann, ohne eine exzessive Menge von tatsächlichen Tests durchführen zu müssen. Diese breite statistische Basis erlaubt nun eine beanspruchungsabhängige Auslegung des Bauteils, welche wesentlich näher an den zu erwartenden Belastungen liegt als die im Stand der Technik üblichen Verfahren. Hierdurch kann vorteilhaft eine Über- oder Unterdimensionierung des Bauteils vermieden werden, so dass eine Kombination aus möglichst leichter – und damit energie- und kostensparender – und dennoch betriebssicherer Auslegung realisierbar ist.
• In einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens wird zum Klassieren der Beanspruchungsparametergruppen ein Rainflow-Algorithmus und/oder eine Schädigungsrechnung nach einem vorgegebenen Schädigungsmodell und/oder eine spektrale Leistungsdichtefunktion verwendet. Derartige Verfahren sind aus der Auslegungsrechnung allgemein bekannt und bewährt.
• In einer weiteren Ausführungsform wird beim zufälligen Auswählen der Beanspruchungsparameter bei der Erstellung der simulierten Bauteile zusätzlich eine Gewichtungsfunktion verwendet, welche die Auswahl von Werten von Beanspruchungsparametern in Abhängigkeit von den zugeordneten Randbedingungssätzen gewichtet. In anderen Worten wird das stochastische Element der Zufallsauswahl durch ein deterministisches Element ergänzt. Dieses deterministische Element in Form der Gewichtungsfunktion dient dazu, bekannte Randbedingungsverteilungen, welche beispielsweise aus Marktanalysen gewonnen werden können, in die Simulation einzuführen. So kann beispielsweise im Falle der Auslegung eines Kraftfahrzeugbauteils, die Randbedingung „Kategorie der gefahrenen Straße" so gewichtet werden, dass die Zufallsauswahl über der gesamten Population von simulierten Bauteilen den aus Umfragen bekannten Wert gefahrener Autobahnkilometer, über die Lebensdauer eines Fahrzeugs widerspiegelt. Damit können vorteilhaft realistische Einschätzungen der zu erwartenden Gesamtbelastung gewonnen werden.
• In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird zum Bestimmen einer Referenzbelastung aus den Gesamtbelastungen aller simulierten Bauteile ein vorgegebener Quantilwert verwendet, so dass die Referenzbelastung in dem vorgegebenen Quantil der Verteilungsfunktion nicht überschritten wird. In anderen Worten wird die Referenzbelastung, aufgrund derer später die Auslegung erfolgt, beispielsweise so gewählt, dass 99% der simulierten Bauteile höchstens diese Referenzbelastung erfahren. Es ist in der Regel nicht nötig, die Referenzbelastung so zu wählen, dass 100% der simulierten Bauteile höchstens die Referenzbelastung über ihre Gesamtlebensdauer aufweisen. Damit wird das Risiko von Überdimensionierungen bei der Auslegung des Bauteils weiter vermindert. In weiterer Ausgestaltung kann der vorgegebene Quantilwert zudem um einen Toleranzbereich ergänzt werden, so dass vorteilhafter Weise die statistische Basis bei der Erstellung der Referenzbelastung verbreitert wird.
• In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird die Auslegung des Bauteils aufgrund der bestimmten Referenzbelastung im Anschluss durch Erstellen eines Prototypen und Messung eines Schädigungsverlaufs des Prototypen überprüft. Hierdurch kann vorteilhaft sichergestellt werden, dass der Prototyp tatsächlich der zu erwartenden Referenzbelastung Stand zu halten vermag.
• Bei der Auswahl von Belastungsparametern zum Erstellen einer gedachten Belastungsgeschichte eines simulierten Bauteiles werden dabei bevorzugt so viele Belastungsparameter ausgewählt, dass die Summe der Werte der Belastungsparameter der Gesamtbelastung des simulierten Bauteils während einer vorgegebenen Gesamtlebenszeit entspricht.
• Zur ursprünglichen Bestimmung der zeitabhängigen Belastungsparametersätze im ersten Verfahrensschritt stehen zwei Möglichkeiten zur Verfügung. Zum einen können diese Belastungsparametersätze durch direkte Messung ermittelt werden. Hierzu sind gegebenenfalls geeignete Sensoren an dem jeweiligen Bauteil anzuordnen und physikalische Einflussgrößen auf dieses Bauteil direkt zeitabhängig zu messen. Das Verfahren kann alternativ oder auch gleichzeitig allerdings auch auf Berechnung ermittelte Beanspruchungsparametersätze angewandt werden. Solche berechneten Beanspruchungsparametersätze umfassen dabei Parameter, welcher einer direkten Messung nicht zugänglich sind, so dass sie auf indirektem Wege rechnerisch aus anderen physikalisch messbaren Größen bestimmt werden müssen.
• Im Folgenden soll ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens exemplarisch erläutert werden. Als Beispiel hierzu wird die Anwendung des Verfahrens bei der Auslegung eines Kraftfahrzeugs beziehungsweise von Kraftfahrzeugkomponenten gewählt.
• Hierzu wird zunächst eine Reihe von Messfahrten mit einem oder mehreren repräsentativ ausgewählten Fahrzeugen einer Fahrzeugklasse durchgeführt. Dies kann im eigentlichen Versuchsbetrieb oder auch direkt durch den Kunden erfolgen. Dabei ist beispielsweise denkbar entsprechende Belastungssensoren vorzusehen, deren Messdaten durch eine Bordelektronik aufgezeichnet werden und bei üblichen regulären Wartungen des Fahrzeugs ausgelesen und zur Auswertung übermittelt werden. Neben der zeitabhängigen Messung von Belastungen an repräsentativen Bauteilen beziehungsweise Stellen des Fahrzeuges werden gleichzeitig alle relevanten Randbedingungen dokumentiert und den gemessenen Belastungsdaten eindeutig zugeordnet. Die Randbedingungen werden dabei auf der Grundlage gewählt, dass sie einen signifikanten Einfluss auf die zu ermittelnden Belastungsgrößen besitzen müssen, sowie dass Angaben zur Häufigkeit des Auftretens derartiger Randbedingungen für die Fahrzeugflotte bekannt sind oder zuverlässig abgeschätzt werden können.
• Mögliche Randbedingungen sind dabei der Zustand der befahrenen Straßenoberfläche, die Kategorie der gefahrenen Straße, die Fahrweise des Fahrers, die Beladungssituation des Fahrzeugs, die Topographie der Fahrstrecken, die Kurvigkeit der Fahrstrecken, die Nationalität der Fahrzeugmärkte, die Last auf einer Anhängerkupplung, sowie die spezifische Transportaufgabe. Jeder einzelne der genannten Randbedingungen wird dabei in mehrere Stufen oder Kategorien unterteilt. Anhand der Marktrelevanz der gewählten Randbedingungen kann nun ausgewählt werden, unter welchen definierten Randbedingungen Fahrbetriebsmessungen durchgeführt werden müssen. Dies ermöglicht eine Reduzierung der Fahrbetriebsmessungen auf einige wenige hochpriorisierte Kombinationen.
• In der Folge werden die erhobenen Messdaten so in Gruppen eingeteilt, dass jede Gruppe nur absolut identische Randbedingungen enthält. Jede Gruppe muss dabei eine gewisse Mindestweglänge enthalten, wozu gegebenenfalls mehrere Einzelmessungen mit identischen Randbedingungen zusammengefügt werden können.
• Zur Auswertung der so gebildeten Belastungsparametergruppen können nun übliche Methoden der Auslegungsrechnung verwendet werden. Dies sind beispielsweise die Rainflow-Matrizenzählung oder vergleichbare Klassierverfahren, Schädigungsrechnungen nach verschiedenen vorgegebenen Schädigungsmodellen, PSD-Diagramme (Power-Spectrum-Density, spektrale Energiedichtefunktion) und dergleichen. Die Ergebnisse dieser Klassierung werden wie die Randbedingungen der jeweiligen Belastungsparametergruppen zugeordnet.
• Nachdem nun eine randbedingungsabhängige Auswertung der Belastungsparameter bekannt ist, kann in der Folge das auslegungsrelevante Belastungsniveau ermittelt werden. Dieses wird in Form eines Referenzbauteiles abgebildet. Das Referenzbauteil ist dabei kein reales Bauteil, sondern vielmehr ein ideelles beziehungsweise virtuelles, welches in allen Bewertungsgrößen exakt mit dem Auslegungslastniveau belastet wird. Dies wird in der Regel bei realen Bauteilen nicht in dieser Form auftreten, da die Belastung üblicher Weise ungleichmäßiger verteilt ist.
• Zur Ermittlung des Referenzbauteils wird eine statistische Simulation mittels einer Monte-Carlo-Methode eingesetzt. Hierzu wird eine Mehrzahl virtueller Bauteile generiert, in dem durch zufällige Ziehungen mit Zurücklegen für jedes virtuelle Bauteil eine Menge von Belastungsparametern mit zugeordneten Randbedingungen und Auswertungsergebnissen kombiniert werden. Mit jedem Ziehvorgang werden dabei die den Belastungsparametern zugeordneten Fahrstrecken sowie alle anderen charakteristischen Kennwerte der gezogenen Belastungsparameter und Randbedingungen aufaddiert. Dieser zufällige Ziehungsvorgang wird für ein virtuelles Bauteil so lange wiederholt, bis eine gewünschte Ziellaufleistung, im Falle eines Fahrzeuges also eine Weglänge, erreicht wurde. Nachdem dergestalt eine Menge von virtuellen Bauteilen beziehungsweise Fahrzeugen erzeugt wurde, welche üblicher Weise der Anzahl von Fahrzeugen einer realen Fahrzeugflotte entspricht, steht nun eine statistische Datenbasis zur Ermittelung der Daten des Referenzbauteils zur Verfügung.
• Um in der Simulation neben der Zufallsfunktion eine Repräsentativität zu den Randbedingungen einer bekannten realen Fahrzeugflotte sicherzustellen, werden die Belastungsparameter, welche die gedachte Geschichte eines virtuellen Fahrzeuges ausmachen, nicht rein zufällig gewählt, sondern über eine Gewichtungsfunktion, welche bekannte Daten repräsentiert, gewichtet ausgewählt. Wird zum Beispiel in einer realen Fahrzeugflotte ein großer Anteil der Fahrten auf Autobahnen gefahren, so wird dem Faktor „Straßenkategorie" und der zugeordneten Stufe „Autobahn" ein entsprechend hoher prozentualer Anteil zugewiesen. Die Ziehung von Belastungsparametern bei der Erstellung von virtuellen Bauteilen beziehungsweise ihrer Lebensgeschichten erfolgt somit nicht nach einer gleich verteilten Zufälligkeit, sondern es werden gezielt Belastungsparameter mit Zugehörigkeit zu bestimmten Randbedingungen gezogen, um die Nebenbedingungen für die simulierten Fahrzeuge entsprechend erfüllen zu können. Hierzu können gegebenenfalls entsprechende Optimierungsalgorithmen eingesetzt werden.
• Als Ergebnis dieser Monte-Carlo-Simulation ergibt sich zunächst für jedes simulierte Fahrzeug eine Zusammensetzung an Belastungsparametern über die angestrebte Laufleistung beziehungsweise Lebensdauer des Fahrzeugs. Durch die Multiplikation der Anzahl an Belastungsparametern mit den ausgewerteten Belastungskennwerten kann nun die Gesamtbelastung für jedes virtuelle Fahrzeug über dessen Lebensdauer berechnet werden. Über die gesamte virtuelle Fahrzeugflotte ergibt sich so eine Verteilungsfunktion der Belastung über die gesamte Fahrzeugflotte. Durch Auswahl eines gewünschten Quantilwertes kann das für die Auslegung angestrebte Belastungsniveau definiert werden. Das ausgewählte Belastungsniveau kann nun umgekehrt wiederum einen simulierten Fahrzeugleben zugeordnet werden, dass heißt die auslegungsrelevante Belastung kann anhand von bekannten Kombinationen aus bestehenden Belastungsparametern und hinzugeordneten Randbedingungen produziert werden.
• Wird nicht nur eine Messstelle für die Belastung berücksichtigt, sondern mehrere Belastungsmessungen durchgeführt, so ist zu berücksichtigen, dass das Auslegungslastniveau für jede Messstelle auf einer individuellen Kombination von Belastungsparametern, beziehungsweise einem unterschiedlichen simulierten Fahrzeugleben beruht. Das Referenzfahrzeug beziehungsweise Referenzbauteil wird also für jede Messstelle mit einer individuellen Kombination aus Belastungsparametern gemäß dem vorgegebenen Quantilwert gebildet.
• Durch die Vorgabe eines Toleranzrahmens um den Quantilwert können unterschiedliche Kombinationen an Belastungsparametern und Randbedingungen des Auslegungsziels erfüllen. Dadurch wird die Belastungscharakteristik bei annähernd gleichem Belastungsniveau gegebenenfalls modifiziert. Diese Bandbreite wird ausgenutzt um die Belastungscharakteristik des Referenzbauteils beziehungsweise Referenzkraftwagens auf eine breitere statistische Basis zu stellen.
• Auf Basis der Belastungscharakteristik und des Belastungsniveaus des Referenzbauteils beziehungsweise Referenzfahrzeuges wird anschließend ein Erprobungsprogramm gebildet, anhand dessen eine berechnungsseitige Dimensionierung sowie eine versuchsseitige Verifizierung der Auslegung erfolgen kann.
• Das Verfahren ist nicht nur, wie im gezeigten Beispiel für Betriebsfestigkeitsauslegungen geeignet. Es ist universell auf alle anderen auslegungsrelevanten Kenngrößen von Bauteilen beziehungsweise Kraftfahrzeugen übertragbar. Letztlich ist das Verfahren gültig für alle technischen Systeme, die unter technischen Einsatzbedingungen betrieben und auf eine definierte Lebensdauer ausgelegt werden müssen anwendbar.
• Im Folgenden soll angesprochen werden, in welcher Weise vorstehende Ausführungen bevorzugt zu interpretieren sind:
  Ziel des Verfahrens ist die Ermittlung eines repräsentativen und beanspruchungsabhängigen Belastungsniveaus von Kraftfahrzeugen im Rahmen einer bestimmungsgemäßen Nutzung durch den Kunden. Anhand des ermittelten Belastungsniveaus kann nachfolgend eine Dimensionierung von Fahrzeugkomponenten bzw. des Gesamtfahrzeuges erfolgen.
• Bei der Ermittlung des Belastungsniveaus für eine in einem bestimmten Markt betriebenen Fahrzeugpopulation wird eine möglichst exakt mit der Realität übereinstimmende Prognose der Belastung angestrebt. Die Quantifizierung des Lastniveaus erfolgt über gemessene Lastdaten während eines kundenähnlichen bzw. durch repräsentative Kunden durchgeführten Fahrbetriebs.
• Beschreibung des Verfahrens:
• Ein oder mehrere repräsentativ ausgewählte Fahrzeuge einer Fahrzeugklasse werden im Rahmen von Messfahrten (im kundennahen Versuchsbetrieb oder direkt durch den Kunden) unter definierten Randbedingungen über vorgegebene Ziellaufleistungen betrieben. Während des Fahrbetriebs wird kontinuierlich eine Vielzahl von Belastungsgrößen an möglichst für eine Fahrzeugfamilie repräsentativen Bauteilen bzw. kritischen Stellen im Fahrzeug gemessen. Des Weiteren werden bei der Messung alle für die Quantifizierung des Lastniveaus relevanten Randbedingungen dokumentiert und können so den Messdaten eindeutig zugeordnet werden.
• Die Randbedingungen werden vor Durchführung der Fahrbetriebsmessungen festgelegt und sollten folgenden Bedingungen entsprechen:
  Kriterium besitzt einen signifikanten Einfluss auf das zu ermittelnde Belastungsniveau Es liegen Angaben zu Häufigkeiten des Auftretens von Randbedingungen für die Fahrzeugpopulation im Markt vor oder sie können zuverlässig abgeschätzt werden
• Die Definition von Randbedingungen ist notwendig, um eine möglichst hohe Repräsentativität gegenüber dem Marktgeschehen zu erzielen.
• Beispielhaft können für eine Betriebsfestigkeitsauslegung folgende voneinander unabhängige Randbedingungen/Faktoren ausgewählt und in Klassen/Stufen unterteilt werden:
  Zustand der Straßenoberfläche
  Kategorie der gefahrenen Straße
  Fahrweise des Fahrers
  Beladungssituation des Fahrzeugs
  Topografie der Fahrtstrecken
  Kurvigkeit der Fahrstrecke
  Nationalität der Fahrzeugmärkte, z. B. Westeuropa, Osteuropa, usw. Anhängerbetrieb
  Einsatzvariabilität der Transportaufgabe, z. B. Werksverkehr, Internationaler Fernverkehr, usw.
• Anhand der gewählten Randbedingungen und der Marktrelevanz kann ausgewählt werden, unter welchen definierten Randbedingungen auch Fahrbetriebsmessungen durchgeführt werden. Aufgrund der Kombinatorik unterschiedlicher Faktoren und Stufen ist eine Reduzierung der Fahrbetriebsmessungen auf einige wenige hoch priorisierte Kombinationen sinnvoll.
• Bei der Durchführung der Fahrbetriebsmessungen werden die gewünschten Beanspruchungsgrößen in Messdateien aufgezeichnet. Dabei ist eine Dokumentation aller aufgetretener Randbedingungen (Faktor und Stufe) erforderlich.
• Nachdem die Fahrbetriebsmessungen in Form von Messdateien vorliegen, werden diese Dateien so eingeteilt bzw. zusammengefügt, dass folgende Bedingungen gelten:
  Jede Messdatei enthält nur absolut identische Randbedingungen, d. h. die Kombinatorik aus Faktor und Stufe ist absolut identisch
• Jede Messdatei enthält eine gewisse Mindestweglänge, ggf. werden mehrere Einzeldateien mit identischer Kombinatorik zusammengefügt
• Im nächsten Schritt erfolgt die Auswertung der gebildeten Messdateien. Diese erfolgt z. B. in folgenden Kennwerten:
  Rainflow-Matrizenzählung oder vergleichbares Klassierverfahren Schädigungsrechnung nach verschiedenen Schädigungsmodellen Bildung eines PSD-Diagramms (Power-Spectrum-Density) zur Darstellung des Frequenzinhalts
• Ohne Einschränkung der Allgemeingültigkeit sind je nach Aufgabe beliebige Zählverfahren oder Auswerteverfahren möglich, um eine auslegungsrelevante Zielgröße in einer möglichst aussagekräftigen Form bestimmen zu können.
• Die Ergebnisse der Auswertung werden wie die Randbedingungen (Faktor und Stufe) dem Inhalt der Messdateien zugeordnet.
• Bildung des auslegungsrelevanten Belastungsniveaus:
  Das auslegungsrelevante Belastungsniveau wird in Form eines sog. Referenzkunden abgebildet. Dieser Referenzkunde stellt keinen realen Kunden dar, sondern vielmehr einen ideellen bzw. virtuellen Kunden, der sein Fahrzeug in allen Bewertungsgrößen exakt mit dem Auslegungslastniveau belastet. In der Regel ist dies für einen realen Kunden nicht möglich, da dieser sein Fahrzeug i. a. ungleichmäßiger belastet.
• Der Referenzkunde wird durch statistische Simulation mittels der Monte-Carlo-Methode gebildet. Darin werden pro virtuellem Fahrzeug einzelne gemessene Fahrten (werden durch Messdateien repräsentiert) durch zufällige Ziehung (mit Zurücklegen) entsprechend miteinander kombiniert. Mit jedem Ziehvorgang pro Fahrzeug werden die Weglängen sowie alle anderen charakteristischen Kennwerte der gezogenen Datei entsprechend auf addiert. Der Ziehungsvorgang wird für ein virtuelles Fahrzeug so lange wiederholt, bis eine gewünschte Ziellaufleistung (Weglänge) des Fahrzeugs erreicht wurde. Der Ziehungsvorgang wird für weitere Fahrzeuge bis zu einer einstellbaren Grenze an Fahrzeugen weiter fortgesetzt. Die Anzahl der simulierten Fahrzeuge entspricht üblicherweise der Anzahl von Fahrzeugen einer realen Fahrzeugflotte.
• Um in der Simulation neben der Zufallsfunktion eine Repräsentativität zu den Randbedingungen des realen Marktes sicherzustellen, werden die Fahrten bzw. Messungen in die bereits bekannten Faktoren und Stufen eingeteilt. Ziel ist für jede Faktorstufe (= Kombinatorik aus Faktor und Stufe) eine bestimmte Menge an Fahrten/Messdateien verfügbar zu haben. Die Repräsentativität wird nun über die Definition von prozentualen Anteilen für die einzelnen Faktorstufen eingebracht. Wird z. B. im Markt ein großer Anteil auf Autobahnen gefahren, so wird dem Faktor „Straßenkategorie" und der Stufe „Autobahn" ein entsprechend hoher prozentualer Anteil zugewiesen. Analog zu diesem Vorgang werden unter Zuhilfenahme der Marktkenntnisse allen Faktorstufen entsprechende Anteile nach bestem Wissen zugeordnet.
• Die definierten prozentualen Anteile der Faktorstufen werden bei der Ziehung durch sog. Nebenbedingungen formuliert. D. b. die Ziehung von Fahrten/Messdateien eines Fahrzeugs erfolgt nicht nach einer gleichverteilten Zufälligkeit, sondern es werden gezielt Fahrten/Dateien mit Zugehörigkeit zu bestimmten Faktorstufen gezogen, um die Nebenbedingungen für ein Fahrzeug bzw. alle simulierten Fahrzeuge entsprechend erfüllen zu können. Dies wird über einen entsprechenden Optimierungsalgorithmus unterstützt. Nebenbedingungen können sowohl ein als auch mehrdimensional definiert werden.
• Als Ergebnis der Monte-Carlo-Simulation ergibt sich zunächst für jedes simulierte Fahrzeug eine Zusammensetzung an Fahrten bzw. Messdateien über die angestrebte Laufleistung/Lebensdauer des Fahrzeugs. Durch Multiplikation der Anzahl an Fahrten mit den ausgewerteten Belastungskennwerten aus den zugehörigen Messdateien kann die Gesamtbelastung eines Fahrzeugs nun berechnet werden. Dies kann in gleicher Weise für alle simulierten Fahrzeuge durchgeführt werden, so dass eine Verteilungsfunktion der Belastung über die gesamte Fahrzeugflotte gebildet werden kann. Durch Auswahl eines gewünschten Quantilwertes kann das für die Fahrzeugdimensionierung angestrebte Belastungsniveau definiert werden. Das ausgewählte Belastungsniveau kann umgekehrt wiederum einem simulierten Fahrzeugleben zugeordnet werden, d. h. die auslegungsrelevan te Belastung kann anhand von bekannten Kombinationen aus bestehenden Fahrten/Messdateien produziert werden.
• Es bleibt weiterhin zu berücksichtigen, dass das Auslegungslastniveau für jede Messstelle auf einer individuellen Kombination an Fahrten/Messdateien bzw. einem unterschiedlichen simulierten Fahrzeugleben beruht. Der Referenzkunde wird für jede Messstelle mit individueller Kombination an Fahrten/Messdateien gemäß vorgegebenem Quantilwert gebildet.
• Durch Vorgabe eines Toleranzrahmens um den Quantilwert können unterschiedliche Kombinationen an Fahrten/Messdateien das Auslegungsziel erfüllen. Dadurch wird die Belastungscharakteristik bei annähernd gleichem Belastungsniveau ggf. modifiziert. Diese Bandbreite wird ausgenutzt, um die Belastungscharakteristik des Referenzkunden auf eine breitere statistische Basis zu stellen.
• Auf Basis der Belastungscharakteristik und des Belastungsniveaus des Referenzkunden wird abschließend ein Erprobungsprogramm gebildet, anhand dessen eine berechnungsseitige Dimensionierung sowie eine versuchseitige Verifizierung der späteren Marktanforderungen erfolgen kann.
• Das Verfahren ist grundsätzlich auch auf berechnete Lastgrößen anwendbar (anstatt von gemessenen Größen) sowie auf beliebige Mischungen zwischen versuchseitig und berechnungsseitig ermittelten Daten.
• Das Verfahren wurde zunächst am Beispiel einer Betriebsfestigkeitsauslegung entwickelt. Es ist jedoch ebenso universell auf alle anderen auslegungsrelevanten Fahrzeuggrößen- bzw. -Produkteigenschaften von Kraftfahrzeugen anwendbar. Darüber hinaus kann das Verfahren auch außerhalb der Kraftfahrzeugtechnik auf alle technischen Systeme, die unter technischen Einsatzbedingungen betrieben und auf eine definierte Lebensdauer ausgelegt werden, angewendet werden und sind somit durch das Patent mit abgedeckt.

Claims (9)

1. Verfahren zur beanspruchungsabhängigen Auslegung eines Bauteils oder einer Bauteilkombination, insbesondere eines Kraftwagens, mit den Schritten: a) Ermitteln wenigstens eines zeitabhängigen Beanspruchungsparametersatzes mit wenigstens einem Beanspruchungsparameter, wobei jedem Wert eines Beanspruchungsparameters ein jeweiliger Randbedingungssatz mit wenigstens einer Randbedingung zugeordnet ist; b) Einteilung der Randbedingungen in Stufen und Zusammenfassen von Werten von Beanspruchungsparametern denen der jeweils gleiche Randbedingungssatz zugeordnet ist, in Beanspruchungsparametergruppen; c) Klassieren der Beanspruchungsparametergruppen; d) Erzeugen einer Menge von simulierten Bauteilen durch zufälliges Auswählen einer Mehrzahl von Werten von Beanspruchungsparametern aus den klassierten Beanspruchungsparametergruppen; e) Bestimmen einer Gesamtbelastung für jedes simulierte Bauteil durch Summieren über die Mehrzahl von Werten und/oder die zugeordneten Klassierungen; f) Bestimmen einer Referenzbelastung, welche größer oder gleich der Gesamtbelastung eines vorgegebenen Anteils an simulierten Bauteilen ist, anhand einer Verteilungsfunktion der Gesamtbelastung über die Menge von simulierten Bauteilen; g) Auslegen des Bauteils anhand der Referenzbelastung.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zum Klassieren in Schritt c) ein Rainflow-Algorithmus und/oder eine Schädigungsrechnung nach einem vorgegebenen Schädigungsmodell und/oder eine spektrale Leistungsdichtefunktion verwendet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass beim zufälligen Auswählen in Schritt d) zusätzlich eine Gewichtungsfunktion verwendet wird, welche die Auswahl von Beanspruchungsparametern in Abhängigkeit von den zugeordneten Randbedingungssätzen gewichtet.
4. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zum Bestimmen einer Referenzbelastung in Schritt f) ein vorgegebener Quantilwert verwendet wird, so dass die Referenzbelastung in dem vorgegebenen Quantil der Verteilungsfunktion nicht überschritten wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der vorgegebene Quantilwert um einen Toleranzbereich ergänzt wird.
6. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auslegung in Schritt g) durch Simulationsmethoden oder versuchstechnische Verifikation mittels Prototypen und/oder Messung eines Schädigungsverlaufes des Prototypen überprüft wird.
7. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt d) so viele Beanspruchungsparameter ausgewählt werden, dass die Summe der ausgewählten Werte der Beanspruchungsparameter der Gesamtbelastung des simulierten Bauteils während einer vorgegebenen Gesamtlebenszeit entspricht.
8. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine zeitabhängige Beanspruchungsparametersatz in Schritt a) durch direkte Messung ermittelt wird.
9. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine zeitabhängige Beanspruchungsparametersatz in Schritt a) durch Berechnung ermittelt wird.