DE102015224682B4

DE102015224682B4 - Vorrichtung zur Prüfung von Probenkörpern und zur Auswertung von Schwingfestigkeitsversuchen und Auswerteverfahren

Info

Publication number: DE102015224682B4
Application number: DE102015224682.5A
Authority: DE
Inventors: Sven Klaus Spanrad
Original assignee: Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Current assignee: Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Priority date: 2015-12-09
Filing date: 2015-12-09
Publication date: 2020-08-27
Anticipated expiration: 2035-12-10
Also published as: DE102015224682A1

Abstract

Vorrichtung zur Prüfung von Probenkörpern (1) und zur Auswertung von Schwingfestigkeitsversuchen, wobei die Vorrichtung (V) wenigstens das Folgende umfasst:- wenigstens einen Prüfstandsaufbau (PS1, PS2, PS3) zur Durchführung von Schwingfestigkeitsversuchen an identisch ausgebildeten Probenkörpern (1) und- eine elektronische Auswerteeinrichtung (AE), mittels dero zu jedem Probenkörper (1), an dem ein Schwingfestigkeitsversuch durchgeführt wurde, in ersten Datensätzen wenigstens erfasst wird, bei welcher Belastungsamplitude und bei welcher Zyklenanzahl ein Versagen des Probenkörpers (1) auftrat, undo aus den ersten Datensätzen für mehrere mit unterschiedlichen Belastungsamplituden durchgeführte Schwingfestigkeitsversuche zumindest ein Teil einer Wöhlerkurve (WL) approximiert wird,dadurch gekennzeichnet, dass- die Vorrichtung (V) ferner eingerichtet und vorgesehen ist, identisch ausgebildete Probenkörper (1) einem gestuften Schwingfestigkeitsversuch zur Ermittlung eines Ermüdungsschwellwertes zu unterziehen, wobei bei dem gestuften Schwingfestigkeitsversuch mittels der Auswerteeinrichtung (AE) für eine Soll-Ermüdungslebensdauer (N), die für die gestuften Schwingfestigkeitsversuche vorgegeben ist und die im Bereich einer Zeitschwingfestigkeit oder Dauerfestigkeit der approximierten Wöhlerkurve (WL) liegt, in zweiten Datensätzen automatisch wenigstens erfasst wird, ob ein Probenkörper (1) bei einer voreingestellten und bei aufeinanderfolgenden Versuchen stufenweise veränderten Belastungsamplitude versagt oder nicht,- in der Auswerteeinrichtung (AE) mehrere unterschiedliche Approximationsfunktionen hinterlegt sind und die Auswerteeinrichtung (AE) eingerichtet und vorgesehen ist, wenigstens aus den zweiten Datensätzen eine Wahrscheinlichkeitsverteilung (V2) für ein Versagen zu der Soll-Ermüdungslebensdauer (N) in Abhängigkeit von der Belastungsamplitude automatisch zu bestimmen, indem eine Auswertelogik (L) der Auswerteeinrichtung (AE) für die mehreren unterschiedlichen Approximationsfunktionen jeweils ermittelt, welchen Grad der Übereinstimmung eine Approximationsfunktion mit den Daten der zweiten Datensätze aufweist, und eine der Approximationsfunktionen mit dem höchsten Grad an Übereinstimmung ausgewählt wird, wenn eine vorgegebene Anzahl an zweiten Datensätzen vorliegt, und- die Vorrichtung ferner eine Abfrageeinrichtung (UI) aufweist, die mit der Auswerteeinheit (AE) gekoppelt ist, um ein Freigabesignal von der Auswerteeinheit (AE) zu erhalten, wenn eine Approximationsfunktion ausgewählt wurde, wobei nach Erhalt eines Freigabesignals mittels der Abfrageeinrichtung (UI) zu einer durch einen Nutzer angefragten Belastungsamplitude auf Basis der Wahrscheinlichkeitsverteilung (V2) ausgebbar ist, wie hoch die Wahrscheinlichkeit eines Versagens des Probenkörpers (1) zur Soll-Ermüdungslebensdauer (N) ist.

Description

Die Erfindung betrifft insbesondere eine Vorrichtung zur Prüfung von Probenkörpern und zur Auswertung von Schwingfestigkeitsversuchen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ferner sind ein Verfahren zur automatischen Auswertung von Schwingfestigkeitsversuchen und ein Computerprogrammprodukt Gegenstand der Anmeldung.
Gerade in der Triebwerksentwicklung sind aufwändige Versuche zur Schwingfestigkeit Standard, um eine Aussage über die Lebensdauer von hochbelasteten und insbesondere als kritisch klassifizierten Bauteilen treffen zu können. Hierbei werden üblicherweise identisch ausgebildete Probenkörper in einem Prüfstandsaufbau oder mehreren Prüfstandsaufbauten Schwingfestigkeitsversuchen unterzogen, um eine sogenannte Wöhlerkurve zu gewinnen. Hierbei wird geprüft, bei welcher Zyklenanzahl und vorgegebener Belastungsamplitude ein Versagen eines Probenkörpers auftritt. Für mehrere, mit unterschiedlichen Belastungsamplituden durchgeführte Schwingfestigkeitsversuchen wird dann eine Wöhlerkurve oder zumindest ein Bereich hiervon approximiert. Die approximierte Kurve gibt dann einen Zusammenhang zwischen auftretender Belastungsamplitude und Zyklenanzahl wieder. Üblicherweise wird eine solche Wöhlerkurve in einem sogenannten S-N-Diagramm dargestellt, wobei auf der Ordinate die Belastungsamplitude S (englisch: „stress“) und auf der Abszisse die Anzahl N der Zyklen und mithin eine Ermüdungslaufdauer aufgetragen werden.
Die Approximation einer Wöhlerkurve aus einer Vielzahl von Schwingfestigkeitsversuchen und somit für eine Vielzahl von Probenkörpern wird dabei üblicherweise durch eine elektronische Auswerteeinrichtung automatisiert vorgenommen. Hierbei kann es sich beispielsweise um eine computerbasierte Auswerteeinrichtung handeln, die Messdaten von dem wenigstens einen Prüfstandsaufbau erhält.
Bei derzeitigen Triebwerksneuentwicklungen geht der Trend - mit dem Ziel, eine höhere Effizienz zu erreichen und Treibstoffverbrauch und Emissionsausstoß zu reduzieren - stetig zu höheren Temperaturen und höheren Drehzahlen, die mithin höhere Spannungen bedeuten. Häufig werden hierbei Kombinationen von Temperatur und Spannungen betrachtet, die außerhalb üblicher Erfahrungswerte für berechnete Lebensdauervorhersagen liegen. Auch sind experimentell gestützte Daten bei hohen Lastspielzahlen (englisch „high cycle fatigue“, HCF) oder sehr hohen Lastspielzahlen (englisch „very high cycle fatigue.“, VHCF) nur unter großem Zeitaufwand zu gewinnen. Regelmäßig, insbesondere im Bereich der Triebwerksentwicklung, besteht aber gerade Bedarf, eine Lebensdauervorhersage für hohe oder sehr hohe Lastspielzahlen mit ausreichender statistischer Sicherheit (englisch „confidence level“) treffen zu können. Bisher bekannte Prüfvorrichtungen und Auswerteverfahren berücksichtigen hierbei zwar, dass die zur Approximation einer Wöhlerkurve gewonnenen Messwerte einer gewissen Schwankung unterliegen. Jedoch wird hierbei regelmäßig eine spezifische Verteilung, gemessener (Ermüdungs-) Lebensdauern nicht näher untersucht bzw. in Betracht gezogen. Insbesondere wird nicht in Betracht gezogen, dass die Streuung des Messwerte bei höherer Spannung abnimmt oder umgekehrt bei abnehmender Spannung zunimmt.
Die DE 198 55 247 A1 beschreibt ein Verfahren zur Bestimmung des Wechsellastverhaltens einer Werkstoffprobe, worin eine vorgegebene Wechsellast auf die Probe aufgeprägt und mit wenigstens einem Sensor wenigstens ein, das Wechsellastverhalten charakterisierender Probenparameter erfasst wird. Es wird alternierend ein für erwartete Praxislasten repräsentatives Lastmuster und ein zweites, hiervon verschiedenes Lastmuster auf die Probe aufgeprägt, wobei der das Wechsellastverhalten charakterisierende Porbenparameter aus den während des zweiten Lastmusters erfassten Sensordaten bestimmt wird. Das erste Lastmuster kann einem Laststandrad entsprechen und das zweite Lastmuster einen zumindest im wesentlichen sinusförmigen oder dreieckförmigen Verlauf besitzen, wobei das erste Lastmuster jeweils für einen längeren Zeitraum aufgeprägt wird als das zweite und nur während des ersten Lastmusters Lastspitzen oberhalb der Dauerfestigkeitswerte aufgeprägt werden.
Die DE 10 2009 034 840 A1 beschreibt ein System und ein Verfahren zum Vorhersagen der Ermüdungsbeständigkeit in Metalllegierungen für Ermüdungsanwendungen bei sehr hohen Zyklenzahlen. Das System und das Verfahren sind insbesondere nützlich für gegossene Metalllegierungen, wie etwa gegossene Aluminiumlegierungen, bei denen eine Dauerhaltbarkeit entweder nicht existent oder schwer zu erkennen ist. Ermüdungseigenschaften, wie etwa Ermüdungsfestigkeit im Ermüdungsbereich bei sehr hohen Zyklenzahlen, basieren auf einem modifizierten stochastischen Ermüdungsgrenzenmodell, wobei die Ermüdungsfestigkeit bei sehr hohen Zyklenzahlen und die Dauerfestigkeit verfeinert werden, um die Größen der Diskontinuitäten und der Mikrostrukturbestandteile zu berücksichtigen, da die Ermüdungsbeständigkeitsstreuung von der Präsenz der Diskontinuitäten und der Mikrostrukturbestandteile abhängt. Die Größen der Diskontinuitäten und der Mikrostrukturbestandteile, die Ermüdungsrisse initiieren können, können mit Extremwertstatistik bestimmt werden, dann in das modifizierte stochastische Ermüdungsgrenzenmodell eingegeben werden.
HÜCK, M.: Ein verbessertes Verfahren für die Auswertung von Treppenstufenversuchen. In: Zeitschrift für Werkstofftechnik, Vol. 14, 1983, S. 406-417 beschreibt eine Auswertemethode zur Ermittlung der Schätzwerte für Mittelwert, Standardabweichung und zugehörige Vertrauensgrenzen bei einer Dauerfestigkeitsabschätzung.
Es besteht somit Bedarf an einem verbesserten Prüf- und Auswerteverfahren sowie einer verbesserten Prüfvorrichtung für Schwingfestigkeitsversuche, mittels der mit geringerem Aufwand eine verlässliche Aussage über zu erwartende Ermüdungslebensdauern für unterschiedliche Belastungsamplituden ermittelt werden kann.
Vor diesem Hintergrund ist einerseits eine Vorrichtung zur Prüfung von Probenkörpern und zur Auswertung von Schwingfestigkeitsversuchen vorgeschlagen, die wenigstens das Folgende umfasst:

- wenigstens einen Prüfstandaufbau zur Durchführung von Schwingfestigkeitsversuchen an identisch ausgebildeten Probenkörpern und
- eine elektronische Auswerteeinrichtung, mittels der
- ◯ zu jedem Probenkörper, an dem ein Schwingfestigkeitsversuch durchgeführt wurde, in ersten Datensätzen wenigstens erfasst wird, bei welcher Belastungsamplitude und bei welcher Zyklenzahl ein Versagen des Probenkörpers auftrat, und
- ◯ aus dem Datensatz für mehrere mit unterschiedlichen Belastungsamplituden durch die geführten Schwingfestigkeitsversuchen zumindest ein Teil einer Wöhlerkurve approximiert wird.

Die gestuften Schwingfestigkeitsversuche werden in einer Ausführungsvariante mit einer Belastungsamplitude von mehr als 200 MPa, insbesondere mehr als 500 MPa oder mehr als 750 MPa begonnen. Grundsätzlich kann für die Belastungsamplitude aber auch ein anderer Wert eingestellt sein, je nachdem bei welcher Belastung die gewünschte Lebensdauer ermittelt werden soll oder die Spannung, die benötigt wird.
Die Belastungsamplitude wird zunächst stufenweise reduziert, um sich dem Ermüdungsschwellwert anzunähern und aussagekräftige Messdaten für die Approximation einer Versagenswahrscheinlichkeit zur Soll-Ermüdungslebensdauer zu erhalten, m Rahmen der invers gestuften Schwingfestigkeitsversuche, also von Versuchsreihen mit Beginn bei höheren Belastungsamplituden, die vor Erreichen der Soll-Ermüdungslebensdauer zu einem Versagen führen, können parallel erste und zweite Datensätze gewonnen und abgespeichert werden, indem in einem ersten Datensatz im Versagensfall abgespeichert wird, bei welcher Zyklenanzahl ein Versagen des Probenkörpers auftrat, und in einem zweiten Datensatz zusätzlich zur aktuellen Belastungsamplitude abgespeichert wird, ob der jeweilige Probenkörper die Soll-Ermüdungslebensdauer (versagensfrei) erreicht hat oder nicht.
In der elektronischen Auswerteeinrichtung sind erfindungsgemäß mehrere unterschiedliche Approximationsfunktionen für die zweiten Datensätze hinterlegt. Mittels der Auswerteeinrichtung wird aus den zweiten Datensätzen (und gegebenenfalls auch aus den ersten Datensätzen) für die gestuften Schwingfestigkeitsversuche eine Wahrscheinlichkeitsverteilung für ein Versagen zu der Soll-Ermüdungslebensdauer in Abhängigkeit von der auftretenden Belastung bestimmt, indem eine Auswertelogik der Auswerteeinrichtung (a) für die mehreren unterschiedlichen Approximationsfunktionen jeweils ermittelt, welchen Grad der Übereinstimmung eine Approximationsfunktion mit den Daten der zweiten Datensätze aufweist, und (b) eine der Approximationsfunktionen mit dem höchsten Grad an Übereinstimmung ausgewählt wird, wenn eine vorgegebene Anzahl an zweiten Datensätzen vorliegt. Es wird somit nicht eine einzige voreingestellte Wahrscheinlichkeitsverteilung im Bereich der Soll-Ermüdungslebensdauer angenommen, sondern aus mehreren unterschiedlichen Approximationsfunktionen automatisch diejenige ausgewählt, die die ermittelten Messwerte aus den zweiten Datensätzen am besten abbildet, wenn festgestellt wird, dass die Anzahl der vorliegenden (ersten und/oder zweiten) Datensätze einen eingestellten Schwellwert erreicht oder überschritten hat. Die hiermit gewonnene Wahrscheinlichkeitsverteilung erlaubt dann eine optimierte Aussage, wie groß die Wahrscheinlichkeit für ein Versagen eines Probenkörpers und damit eines hierdurch repräsentierten Bauteils bei einer vorgegebenen Belastung und mithin einer bestimmten Belastungsamplitude zur Soll-Ermüdungslebensdauer ist. Aus einer solchen Versagenswahrscheinlichkeit lässt sich somit ein Belastungsniveau bestimmen, bei dem gestützt auf experimentelle Daten mit vorgegebener statistischer Sicherheit die gewünschte Soll-Ermüdungslebensdauer erreicht wird.
Hierfür weist die Vorrichtung ferner eine Abfrageeinrichtung auf, die mit der Auswerteeinheit gekoppelt ist, um ein Freigabesignal von der Auswerteeinheit zu erhalten, wenn eine Approximationsfunktion ausgewählt wurde, wobei nach Erhalt eines Freigabesignals mittels der Abfrageeinrichtung zu einer durch einen Nutzer angefragten Belastungsamplitude auf Basis der Wahrscheinlichkeitsverteilung ausgebbar ist, wie hoch die Wahrscheinlichkeit eines Versagens des Probenkörpers zur Soll-Ermüdungslebensdauer ist. Eine solche Abfrageeinrichtung umfasst beispielsweise unter anderem eine Benutzeroberfläche (englisch „user interface“). Eine Abfrage über eine solche Benutzeroberfläche wird dann aber erst freigeschaltet, wenn durch die Auswerteeinheit ein Freigabesignal an die Abfrageeinrichtung gesandt wurde.
Durch die vorgeschlagene Lösung wird es somit möglich, die Lebensdauer für ein bestimmtes Spannungsniveau mit einer experimentell ermittelten Wahrscheinlichkeit zu hinterlegen, welche gerade für dieses Spannungsniveau gültig ist. Hierbei wird nicht mehr zwingend vorausgesetzt, dass alle Lebensdauer im interessierenden Zustandsfestigkeitsbereich einer Standardverteilung unterliegen. Vielmehr wird über die Wahl der entsprechenden Approximationsfunktion gegebenenfalls auch eine andere Wahrscheinlichkeitsverteilung zugrunde gelegt. Selbstverständlich können hierbei auch zusätzliche Daten(punkte) durch eine Simulation ermittelt werden, zum Beispiel durch einen Monte-Carlo-Algorithmus, um einen größeren Datensatz zu simulieren und eine entsprechende Approximationsverteilung zugrunde zu legen.
Dabei wird mit der erfindungsgemäßen Lösung eine Möglichkeit bereitgestellt, einen Testablauf weitestgehend zu automatisieren, wodurch sich ein geringerer Betreuungsaufwand ergibt und das Risiko minimiert wird, dass eine die Tests ausführende oder überwachende Person beeinflussend auf den Test und die Ermittlung der statistischen Verteilung durch etwaige subjektive Präferenzen einwirkt.
In einer Ausführungsvariante ist vorgesehen, dass am Ende einer voreingestellten Anzahl von gestuften Schwingfestigkeitsversuchen automatisch eine Wahrscheinlichkeitsverteilung durch die Auswertelogik der Auswerteeinrichtung ermittelt wird. Alternativ kann die Ermittlung der Wahrscheinlichkeitsverteilung auf Basis der bisher gewonnenen zweiten Datensätze (und gegebenenfalls ergänzend der ersten Datensätze) gezielt durch einen Nutzer auslösbar sein.
Die Gewinnung erster Datensätze für die zumindest teilweise Approximation einer Wöhlerkurve bei höheren Belastungsamplituden und mithin niedrigeren Ermüdungslebensdauern erfolgt in einer Ausführungsvariante von der Prüfvorrichtung gesteuert bei, vor oder nach der Gewinnung der zweiten Datensätze. Es wird folglich z.B. zunächst anhand der gestuften Schwingfestigkeitsversuche für die Soll-Ermüdungslebensdauer eine Wahrscheinlichkeitsverteilung ermittelt, bevor Schwingfestigkeitsversuche zur Bestimmung von Ermüdungslebensdauern bei höheren Belastungsamplituden durchgeführt werden, also Schwingfestigkeitsversuche für den „linken“ Bereich in einem Wöhler-Diagramm für kleine oder mittlere Lastspielzahlen. Alternativ kann aber auch in umgekehrter Reihenfolge vorgegangen werden und eine entsprechende Ansteuerung des mindestens einen Prüfstandsaufbau vorgesehen sein. Wie obig bereits erläutert kann aber alternativ oder ergänzend vorgesehen sein, dass mittels der Vorrichtung bereits während der hiermit insbesondere gesteuerten und/oder überwachten gestuften Schwingfestigkeitsversuche sowohl erste als auch zweite Datensätze in einem Versagensfall abgelegt werden.
In einer Ausführungsvariante ist ergänzend mittels der Abfrageeinrichtung auf Basis der ermittelten Wahrscheinlichkeitsverteilung ein Bereich einer Belastungsamplitude ausgebbar, für den die Wahrscheinlichkeit eines Versagens des Probenkörpers zur Soll-Ermüdungslebensdauer unterhalb eines bestimmten Grenzwertes liegt. Hierbei kann ein Grenzwert durch einen Benutzer festlegbar sein. So kann in einem hierauf basierenden Beispiel ein Nutzer beispielsweise festlegen, dass die Wahrscheinlichkeit für ein Versagen unter 3 % liegen soll so dass in 97 % aller Fälle ein identisch ausgebildeter Probenkörper unterhalb einer bestimmten Belastungsamplitude nicht versagen. Der durch die Abfrageeinrichtung ausgebbare Bereich gibt somit zu einem gewünschten statistischen Sicherheitswert (englisch „confidence level“) einen nach unten offenen Bereich für zulässige Belastungsamplituden mit einem definierten oberen Grenzwert aus der Wahrscheinlichkeitsverteilung aus.
Zumindest eine der in der der Auswertelogik verwendeten Approximationsfunktionen ist in einem Ausführungsbeispiel durch

- eine Normalverteilung,
- eine logarithmische Normalverteilung,
- eine Potenzialverteilung oder
- eine Weibull-Verteilung

In einem Ausführungsbeispiel ist innerhalb der Auswerteeinrichtung für wenigstens eine von der Soll-Ermüdungslebensdauer abweichende Ermüdungslebensdauer eine andere Wahrscheinlichkeitsverteilung zu Belastungsamplituden in einem Speicher der Auswerteeinrichtung hinterlegt. So kann beispielsweise für die Soll-Ermüdungslebensdauer eine von der Normalverteilung abweichende Wahrscheinlichkeitsverteilung auf Basis der gestuften Schwingfestigkeitsversuche bestimmt worden sein, während für andere Ermüdungslebensdauern (auf dem approximierten Teil der Wöhlerkurve) weiterhin eine Normalverteilung zugrunde gelegt werden kann.
In einer hierauf basierenden Weiterbildung ist die Auswerteeinrichtung eingerichtet, für eine durch einen Nutzer angefragte Belastungsamplitude eine Sicherheitsermüdungslebensdauer auszugeben, die sich aus dem approximierten Teil der Wöhlerkurve und einer Wahrscheinlichkeitsverteilung unter der Annahme ergibt, dass (a) ein Punkt der approximierten Wöhlerkurve jeweils eine Belastungsamplitude repräsentiert, bei der wenigstens 90 % der Probenkörper versagen, und (b) die Sicherheitsermüdungslebensdauer von mehr als 90 % der Probenkörper erreicht werden soll. Die Wöhlerkurve gibt auf Basis ermittelter Messwerte zu einer bestimmten Belastungsamplitude jeweils eine Grenz-Ermüdungslebensdauer an, an der ein Versagen auftrat oder erwartet wird. Hierbei wird dann angenommen, dass der betrachtete Punkt der Wöhlerkurve von einem Probenkörper erreicht wurden, welcher für weniger als 10 %, insbesondere 5 % oder weniger der Probenkörper repräsentativ ist (also eine außergewöhnlich hohe Schwingfestigkeit aufweist, die nur von 10 %, insbesondere 5 % oder weniger der Probenkörper bei gleicher Belastungsamplitude erreicht würde). Unter Zugrundelegung einer bestimmten Wahrscheinlichkeitsverteilung an der interessierenden Belastungsamplitude wird dann auf eine niedrigere Sicherheitsermüdungslebensdauer geschlossen, die unterhalb der Grenz-Ermüdungslebensdauer liegt und die von mehr als 90 %, insbesondere mehr als 95 % oder mehr als 99 % der Probenkörper bei gleicher Belastungsamplitude erreicht würde. Die ausgegebene Sicherheitsermüdungslebensdauer stellt somit sicher, dass von keiner zu optimistischen Einschätzung für eine bei dem interessierenden Belastungsniveau erreichbaren Ermüdungslebensdauer ausgegangen wird, sondern eine tendenziell niedrigere Ermüdungslebensdauer als Sicherheitsermüdungslebensdauer vorhergesagt und ausgegeben wird.
Die Wahrscheinlichkeitsverteilung, die an der interessierenden Belastungsamplitude für die Ausgabe der Sicherheitsermüdungslebensdauer genutzt wird, ist in einem Ausführungsbeispiel variabel und hängt beispielsweise davon ab, ob die zu der Belastungsamplitude zugehörige Ermüdungslebensdauer aus der approximierten Wöhlerkurve unterhalb eines Lebensdauerschwellwertes liegt oder nicht.
In diesem Zusammenhang kann die Auswerteeinrichtung eingerichtet sein, für einen ersten Bereich von durch einen Nutzer abfragbarer Belastungsamplituden eine Sicherheitsermüdungslebensdauer auszugeben, die durch einen vorgegebenen Sicherheitsparameter und eine von der durch die gestuften Schwingfestigkeitsversuche ermittelten (zweiten) Wahrscheinlichkeitsverteilung abweichende, andere (erste) Wahrscheinlichkeitsverteilung bestimmt ist und für einen zweiten Bereich geringerer Belastungsamplituden - der tendenziell bei sehr hohen Lastspielzahlen liegt - eine Sicherheitsermüdungslebensdauer auszugeben, die durch den vorgegebenen Sicherheitsparameter und die aus den Approximationsfunktionen ermittelte (zweite) Wahrscheinlichkeitsverteilung bestimmt ist. Durch den Sicherheitsparameter kann beispielsweise vorgegeben sein, dass entsprechend der hinterlegten (ersten oder zweiten) Wahrscheinlichkeitsverteilung mehr als 95 %, insbesondere mehr als 99 % der Probenkörper die Sicherheitsermüdungslebensdauer bei der angefragten Belastungsamplitude erreichen. Von dem in der Auswertelogik fest eingestellten oder durch einen Benutzer eingebbaren Sicherheitsparameter hängt somit die statistische Sicherheit für die auszugebende Sicherheitsermüdungslebensdauer bei der angefragten Belastungsamplitude ab. So wird beispielsweise eine höhere Ermüdungslebensdauer ausgegeben, wenn angenommen werden soll, dass 95 % aller Probenkörper diese Ermüdungslebensdauer bei einer festen Belastungsamplitude erreichen, als in demjenigen Fall, wenn angenommen wird, dass 99 % aller Probenkörper diese Ermüdungslebensdauer bei einer festen Belastungsamplitude erreichen.
In einer Weiterbildung kann vorgesehen sein, dass in der Auswerteeinrichtung ein Amplitudenschwellwert für die Belastungsamplitude und/oder ein Lebensdauerschwellwert hinterlegt ist, wobei die Auswerteeinrichtung ab diesem Amplituden- oder Lebensdauerschwellwert die eine oder die andere der mindestens zwei Wahrscheinlichkeitsverteilungen zugrunde legt, um eine Sicherheitsermüdungslebensdauer zu ermitteln und auszugeben. Mit Blick auf eine Wöhlerkurve wird somit beispielsweise in einem „linken“ Bereich für hohe Belastungsamplituden und eine mittlere Anzahl von Lastspielen oder Zyklen zum Beispiel stets eine Normalverteilung oder eine andere präferierte Standardverteilung für die Datenpunkte der Wöhlerkurve zugrunde gelegt, während ab einem Schwellwert für die Belastungsamplitude (auf der Ordinate) oder ab einem Schwellwert für die Ermüdungslebensdauer (auf der Abszisse) im „rechten“ Bereich und mithin für eine hohe oder sehr hohe Anzahl von Lastspielen oder Zyklen gegebenenfalls eine andere, in jedem Falle aber durch die gestuften Schwingfestigkeitsversuche ermittelte Wahrscheinlichkeitsverteilung zugrunde gelegt wird.
Eine Variante sieht vor, dass auf Basis der wenigstens zwei bereichsweise verwendeten Wahrscheinlichkeitsverteilungen eine Minimumlinie generiert wird, über die einer Belastungsamplitude eine Sicherheitsermüdungslebensdauer zugeordnet ist, die mit einer vorgegebenen statistischen Sicherheit unterhalb der ermittelten Wöhlerkurve liegt.
Die vorgeschlagene Lösung ist für unterschiedliche Typen von Probenkörpern geeignet und nicht auf bestimmte Anwendungen oder durch die Probenkörper repräsentierte Bauteile beschränkt. In einer Ausführungsvariante sind die Probenkörper für ein Bauteil eines Turbinentriebwerks repräsentativ. Beispielsweise werden durch die Probenkörper hochbelastete Bauteile in Verbindungsbereichen repräsentiert, die zum Beispiel Schweißnähte, oder Verbindungslöcher, Verbindungsschlitze oder Verbindungsvorsprünge aufweisen.
Ein weiterer Aspekt der vorgeschlagenen Lösung ist ein Verfahren zur automatischen Auswertung von Schwingfestigkeitsversuchen, wobei im Rahmen des Verfahrens Datensätze zu an identisch ausgebildeten Probenkörpern durchgeführten Schwingfestigkeitsversuchen elektronisch ausgewertet und zur Ermittlung einer Wahrscheinlichkeitsverteilung genutzt werden. Über die Wahrscheinlichkeitsverteilung wird dann, zum Beispiel anhand einer stetigen Funktion, abgebildet, wie hoch die Wahrscheinlichkeit eines Versagens eines Probenkörpers zu einer Soll-Ermüdungslebensdauer in Abhängigkeit von einer Belastungsamplitude ist. Hierbei ist ergänzend vorgesehen, dass

- identisch ausgebildete Probenkörper einem gestuften Schwingfestigkeitsversuch unterzogen werden, mittels dem ein Ermüdungsschwellwert ermittelt werden kann, wobei hierbei für die Soll-Ermüdungslebensdauer in Datensätzen wenigstens erfasst wird, ob ein Probenkörper bei einer voreingestellter und bei aufeinanderfolgenden Versuchen stufenweise veränderten Belastungsamplitude versagt oder nicht, und
- in einer elektronischen Auswerteeinrichtung mehrere unterschiedliche Approximationsfunktionen hinterlegt sind und die Auswerteeinrichtung eingerichtet und vorgesehen ist, aus den Datensätzen automatisch die Wahrscheinlichkeitsverteilung für ein Versagen zu der Soll-Ermüdungslebensdauer in Abhängigkeit von der Belastungsamplitude zu bestimmen, in dem eine Auswertelogik der Auswerteeinrichtung (a) für die mehreren unterschiedlichen Approximationsfunktionen jeweils ermittelt, welchen Grad der Übereinstimmung eine Approximationsfunktionen mit den Daten des Datensatzes aufweist, und (b) eine der Approximationsfunktionen mit dem höchsten Grad an Übereinstimmung ausgewählt wird, wenn eine vorgegebene Anzahl an zweiten Datensätzen vorliegt.

In einer Variante ist die Auswerteeinheit mit einer Abfrageeinrichtung gekoppelt, an die die Auswerteeinheit ein Freigabesignal sendet, wenn eine Approximationsfunktion ausgewählt wurde. Nach Erhalt eines Freigabesignals ist dann mittels der Abfrageeinrichtung von einem Nutzer eine Belastungsamplitude anfragbar, wobei auf Basis der bestimmten Wahrscheinlichkeitsverteilung mittels der Abfrageeinrichtung ausgeben wird, wie hoch die Wahrscheinlichkeit eines Versagens des Probenkörpers zur Soll-Ermüdungslebensdauer ist.
Eine zuvor erläuterte Prüf- und Auswertevorrichtung kann hierbei zur Durchführung des vorgeschlagenen Verfahrens ausgebildet und vorgesehen sein. Dementsprechend gelten vorstehend und nachstehend erläuterte Vorteile und Merkmale von Ausführungsvarianten einer solchen Prüf- und Auswertevorrichtung auch für ein entsprechend ausgestattetes Verfahren und umgekehrt.
Insbesondere kann somit zumindest eine der Approximationsfunktionen durch

- eine Normalverteilung,
- eine logarithmische Normalverteilung,
- eine exponentiell Verteilung,
- eine Weibull-Verteilung oder

In einem Ausführungsbeispiel ist alternativ oder ergänzend hierzu eine Wöhlerkurve hinterlegt, die jeder Belastungsamplitude eines vorgegebenen Intervalls eine Ermüdungslebensdauer zuordnet. Für jede Ermüdungslebensdauer ist ferner eine Wahrscheinlichkeitsverteilung abrufbar, um anhand einer vorgegebenen Belastungsamplitude auf eine Sicherheitsermüdungslebensdauer zu schließen, die von mehr als 90 % der Probenkörper bei der vorgegebenen Belastungsamplitude erreicht wird. In einer hierauf basierenden Weiterbildung kann für einen ersten Bereich von Belastungsamplituden eine andere Wahrscheinlichkeitsverteilung, zum Beispiel stets nur eine Normalverteilung, zu jeder zugehörigen Ermüdungslebensdauer hinterlegt werden, während für einen zweiten Bereich geringerer Belastungsamplituden zu jeder zugehörigen Ermüdungslebensdauer die aus den Approximationsfunktionen ermittelte Wahrscheinlichkeitsverteilung hinterlegt wird.
Ferner ist ein Computerprogrammprodukt vorgeschlagen, das Programmcode zur Durchführung eines Verfahrens zur Auswertung und gegebenenfalls auch zur automatisierten Durchführung von Schwingfestigkeitsversuchen beinhaltet, wenn das Computerprogramm des Computerprogrammprodukts in einer computerbasierten elektronischen Auswerteeinrichtung ausgeführt wird.
Die beigefügten Figuren veranschaulichen mögliche Ausführungsvarianten der vorgeschlagenen Lösung.
Hierbei zeigen:

1 ein sogenanntes S-N-Diagramm, in dem eine Belastung oder Belastungsamplitude über eine Zyklenanzahl aufgetragen ist und in dem für zwei unterschiedliche Probenkörper (aus unterschiedlichen Materialien) jeweils eine Wöhlerkurve schematisch dargestellt ist;
2 ein S-N-Diagramm mit hierin eingetragenen Messdaten für identisch ausgestaltete Probenkörper;
3 in perspektivischer Ansicht ein Beispiel für einen getesteten Probenkörper;
4 ein Diagramm zur Veranschaulichung eines gestuften Schwingfestigkeitstests, wobei in dem dargestellten Diagramm für eine Vielzahl von Probenkörpern eingetragen ist, ob der jeweils getestete Probenkörper bei einer bestimmten maximalen Beanspruchung eine Soll-Ermüdungslebensdauer erreicht oder versagt;
5A bis 5D Veranschaulichung der in den gestuften Schwingfestigkeitsversuchen gewonnenen Datensätze in einem Wahrscheinlichkeitsverteilungsdiagramm mit Veranschaulichung unterschiedlicher Approximationsfunktionen;
6 schematisch ein Flussdiagramm für eine Ausführungsvariante eines erfindungsgemäßen Auswerteverfahrens;
7 das Diagramm der 2 mit ergänzter, schematischer Darstellung einer approximierten Wöhlerkurve und unterschiedlichen Wahrscheinlichkeitsverteilungen, die in bestimmten Bereichen der Wöhlerkurve für eine Lebensdauervorhersage zugrunde gelegt werden;
8 schematisch eine Ausführungsvariante einer Prüf- und Auswertevorrichtung mit mehreren Prüfstandsaufbauten und einer computerbasierten elektronischen Auswerteeinrichtung;
9 schematisch und in Schnittdarstellung ein Gasturbinentriebwerk, für dessen Bauteile ein getesteter Probenkörper repräsentativ ist.

In der 9 ist schematisch und in Schnittdarstellung ein (Gasturbinen-) Triebwerk 2 dargestellt. Dieses Triebwerk 2 erstreckt sich entlang einer Triebwerksachse T und weist in an sich bekannter Weise einen Lufteinlass 20 auf, in den entlang einer Eintrittsrichtung E Luft in das Triebwerksinnere eingesaugt werden kann. Hierfür ist ein Fan 21 vorgesehen. Dieser Fan 21 führt Luft einerseits einem Verdichter 22 und andererseits einem Bypasskanal 25 für die Erzeugung des Schubs zu. Der Fan 21 ist drehfest mit einer Welle verbunden, die durch eine Turbine 23 zu einer Drehung angetrieben wird. Die Turbine 23 schließt sich hierbei an den Verdichter 22 an, der beispielsweise einen Niederdruckverdichter, einen Mitteldruckverdichter und einen Hochdruckverdichter aufweist. Die über den Verdichter 22 geförderte Luft gelangt in einen Brennkammerabschnitt, in dem die Antriebsenergie zum Antreiben der Turbine 23 erzeugt wird. Die Turbine 23, die hierfür beispielsweise eine Hochdruckturbine, eine Mitteldruckturbine und eine Niederdruckturbine aufweist, treibt dann über die bei der Verbrennung frei werdende Energie den Fan 21 an. Über eine Abgasdüse 24 strömt das Abgas aus der Turbine 23 am Ende des Triebwerks 2 nach außen aus.
Bei einem solchen Triebwerk 2 werden an unterschiedlichsten Stellen hochbelastete Bauteile eingesetzt, deren Lebensdauer oder Ausfallwahrscheinlichkeit bei normalen Betriebsbedingungen zuverlässig vorhergesagt werden muss. Gerade bei Triebwerksneuentwicklungen werden aber zunehmend hohe Temperaturen und hohe Drehzahlen, und somit hohe Spannungen an den eingesetzten Bauteilen, ins Auge gefasst, die immer häufiger außerhalb der bestehenden Erfahrungswerte für Lebensdauervorhersagen liegen. Es ist daher entscheidend, auch für solche Bedingungen anhand von experimentell gewonnenen Daten eine verlässliche Aussage zur Lebensdauer treffen zu können. Hierbei steht unter anderem im Fokus, eine solche Lebensdauervorhersage zu vertretbaren Kosten und mit vertretbarem Zeitaufwand aus Experimenten gewinnen zu können.
So ist bekannt, dass eine Ermüdungslebensdauer, an der ein Versagen eines Bauteils unter gegebenen Randbedingungen, wie zum Beispiel im Hinblick auf die Temperatur, von einer Belastung oder Beanspruchungsamplitude abhängt. Bei hohen Belastungen tritt bereits nach wenigen Lastspielen ein Versagen auf, wohingegen bei kleineren Belastungen die Ermüdungslebensdauer signifikant ansteigt. Ab einer gewissen Lastspielzahl (zum Beispiel 10⁸ Lastwechseln) wird die ertragbare Belastungsamplitude als Dauerfestigkeit bezeichnet. Vorliegend sind vor allem Lastspielzahlen im Bereich von 10⁵, 10⁶ oder 10⁷ oder mehr von Interesse.
Wie in der 1 schematisch veranschaulicht ist, ergeben sich hierbei unterschiedliche Zusammenhänge zwischen der ertragbaren Belastungsamplitude und der erreichbaren Ermüdungslebensdauer in Abhängigkeit von dem für einen Probenkörper verwendeten Material und dessen Geometrie. Dementsprechend werden in der Entwicklung neuer Triebwerkskomponenten für das jeweilige Bauteil repräsentative Probenkörper Schwingfestigkeitsversuchen unterzogen, um eine Aussage über deren Lebensdauer treffen zu können und insbesondere vorhersagen zu können, ob das jeweilige Bauteil unter den vordefinierten Rahmenbedingungen eine Soll-Ermüdungslebensdauer erreicht.
Das Diagramm der 2 zeigt hierbei unterschiedliche Messpunkte für ein Versagen identisch ausgebildeter Probenkörper bei voreingestellter Beanspruchungsamplitude zu unterschiedlichen Zyklenanzahlen. Je nach eingestellter Beanspruchungsamplitude weisen somit einzelne Probenkörper eine unterschiedliche Ermüdungsbeständigkeit auf. Aus den gewonnenen Messdaten lässt sich hierbei zwar bereits grundsätzlich eine Wöhlerkurve entsprechend der 1 zumindest teilweise approximieren. Jedoch lässt sich hieraus gerade für bestimmte Beanspruchungsamplitude nur bedingt eine Vorhersage treffen, ob der jeweilige Probenkörper und damit das hierdurch repräsentierte Bauteil eine bestimmte Soll-Ermüdungslebensdauer erreicht, die z.B. im Bereich einer Lebensdauer des Triebwerks 2 liegt.
Gerade für den Bereich hoher Lastspiele sind die Aufwendungen für die durchzuführenden Schwingfestigkeitsversuche relativ hoch. Ein bisher bekannter Ansatz sieht beispielsweise vor, unter gegebenen Randbedingungen (Belastung/Temperatur) einen oder mehrere Schwingfestigkeitsversuche durchzuführen und bei Erreichen einer vorgegebenen Soll-Ermüdungslebensdauer ohne Versagen eine Lebensdauervorhersage unter der Annahme zu treffen, dass die getesteten Probenkörper in der Wahrscheinlichkeit der besten 5 % der Gesamtpopulation liegen würden. Mit anderen Worten wird angenommen, dass 95 % der üblichen für das Bauteil repräsentativen Probenkörper die erreichte oder durch die approximierte Wöhlerkurve zugeordnete Lebensdauer nicht erreichen würden. Unter Zugrundelegung einer Normalverteilung wird dann eine bestimmte statistische Sicherheit (beispielsweise -3 Sigma (σ)) zurückgerechnet und hieraus die freizugeben Lebensdauer bei der getesteten Spannung-Temperatur-Kombination ermittelt. Diese Annahme berücksichtigt jedoch nicht, dass sich eine Wahrscheinlichkeitsverteilung in Abhängigkeit von dem getesteten Spannungsniveau, mithin in Abhängigkeit von der Belastungsamplitude ändert. So ist bekannt, dass die Streuung der Lebensdauer bei höherer Spannung abnimmt und umgekehrt.
Der vorgeschlagene neuartige Ansatz berücksichtigt nun bei der automatisierten Prüfung und Auswertung von Probenkörpern diesen Umstand. Hierbei wird ein Probenkörper 1, wie er exemplarisch in der 3 dargestellt ist, gestuften Schwingfestigkeitsversuchen unterzogen. Der exemplarisch dargestellte Probenkörper 1 ist längserstreckt und weist zwei sich konisch verbreiternde Endabschnitte 10 und 12 auf, die durch ein verjüngtes, schmaleres Mittelstück 11 miteinander verbunden sind. Auf beiden Seiten des Probenkörpers 1 ist jeweils eine längserstreckte, durchgehende Schweißraupe 13 vorgesehen. Der Probenkörper 1 repräsentiert damit ein in dem Triebwerk 2 verwendetes Bauteil, das mit einer Schweißung versehen ist.
In den gestuften Schwingfestigkeitsversuchen für einen Typ Probenkörper 1, deren Ergebnisse in dem Diagramm der 4 dargestellt sind, wird ein so genannter inverser „step test“ verfolgt. Hierbei werden nacheinander identisch ausgebildete Probenkörper mit zunächst stufenweise reduzierter Belastungsamplitude dahingehend geprüft, ob sie eine Soll-Ermüdungslebensdauer N_Soll, von zum Beispiel 10⁵, 10⁶ oder 10⁷ Lastspielen, überstehen, ohne zu versagen. Wird ein Versagen des jeweiligen Probenkörpers festgestellt, wird im nächsten Schwingfestigkeitsversuch die Belastungsamplitude um einen voreingestellter Prozentsatz reduziert, beispielsweise um 3 - 5 %. Erreicht ein Probenkörper, in der 4 beispielsweise der Probenkörper 6, die Soll-Ermüdungslebensdauer N_Soll = 10⁷, wird für den nachfolgenden Schwingfestigkeitsversuch die Beanspruchungsamplitude wieder prozentual erhöht. Durch das automatische stufenweise Anheben und Absenken der Belastungsamplitude in Abhängigkeit davon, ob der getestete Probenkörper die Soll-Ermüdungslebensdauer N_Soll erreicht oder nicht, kann grundsätzlich ein Ermüdungsschwellwert der Belastungsamplitude zu der Soll-Ermüdungslebensdauer N_Soll ermittelt werden. Des weiteren ist über die Vielzahl der getesteten Probenkörper auch eine statistisch verlässliche Aussage darüber möglich, wie hoch die Wahrscheinlichkeit für ein Versagen des Probenkörpers bei der Soll-Ermüdungslebensdauer N_Soll in Abhängigkeit von der Belastungsamplitude und damit der maximalen Beanspruchung ist. Indem ferner mit hohen Belastungsamplituden (von z.B. wenigstens 200 MPa oder wenigstens 500 MPa) begonnen wird, können anhand der versagenden Probenkörper 1 (erste) Datensätze für die Approximation einer Wöhlerkurve gewonnen werden, bei welcher Zyklenanzahl für eine aktuell eingestellte Belastungsamplitude ein Versagen aufgetreten ist.
Mit den entsprechend der 4 gewonnenen (zweiten) Datensätzen wiederum, die angegeben, ob ein jeweiliger Probenkörper 1 bei einer bestimmten Belastungsamplitude die Soll-Ermüdungslebensdauer N_Soll erreicht hat oder nicht, lässt sich eine Funktion zur Versagenswahrscheinlichkeit zur Soll-Ermüdungslebensdauer N_Soll über die auftretende Belastungsamplitude approximieren.
Im Zuge der vorgeschlagenen Lösung wird hierbei von einer Auswertelogik einer elektronischen Auswerteeinrichtung anhand mehrerer unterschiedlicher Approximationsfunktionen automatisch geprüft, durch welche Art der Wahrscheinlichkeitsverteilung die gewonnenen (zweiten) Datensätze am besten approximiert werden können. Hierbei wird von der bisher üblichen Grundannahme abgewichen, dass eine Normalverteilung bei den gewonnenen Testergebnissen zugrunde gelegt werden sollte. Vielmehr wird neben einer Normalverteilung mindestens eine weitere Approximationsfunktionen dahingehend geprüft, inwieweit sich hiermit die gewonnenen Testergebnisse approximieren lassen.
In den 5A bis 5D sind unterschiedliche Approximationsfunktionen zusammen mit gewonnenen Testergebnissen für gestufte Schwingfestigkeit zu zwei Testreihen veranschaulicht. Die zugrundeliegenden Messdaten sind hierbei jeweils identisch. Gegebenenfalls sind lediglich bei den in den 5A bis 5D wiedergegebenen Diagrammen die Skalen unterschiedlich.
In der 5A ist beispielsweise jeweils eine Weibull-Verteilung eingeblendet, während die 5B in Ergänzung zu den einzelnen Messpunkten der zwei Messreihen jeweils eine Exponentialverteilung dargestellt ist. Bei den 5C und 5D sind zusätzlich zu den Messdaten jeweils eine logarithmische Normalverteilung (5C) oder eine Normalverteilung (5D) in das Diagramm eingetragen.
Bei den Approximationsfunktionen entsprechend der 5A bis 5D hat sich für die zwei unterschiedlichen Testreihen beispielsweise gezeigt, dass in einem Fall (obere Messpunkte) eine Normalverteilung die beste Übereinstimmung aufweist, während in dem anderen Fall (untere Kurve) sowohl eine logarithmische Normalverteilung als auch eine Weibull-Verteilung die Messdaten besser approximieren, wobei die logarithmische Normalverteilung die größte Übereinstimmung aufweist und somit für die Beurteilung einer Versagenswahrscheinlichkeit zur Soll-Ermüdungslebensdauer N_Soll durch die Auswertelogik ausgewählt wird. Die ausgewählte Wahrscheinlichkeitsverteilung lässt dann gestützt auf tatsächlich experimentell ermittelte Messwerte eine Aussage darüber zu, wie hoch die Ausfallwahrscheinlichkeit für ein durch die Probenkörper repräsentiertes Bauteil bei einer bestimmten Belastungsamplitude ist. Über die ausgewählte Wahrscheinlichkeitsverteilung kann hierbei dann auch eine Aussage über Belastungsamplituden getroffen werden, die nicht gemessen wurden, aber durch die ausgewählte Wahrscheinlichkeitsfunktion abgebildet werden.
Ein mögliches Ausführungsbeispiel für ein erfindungsgemäßes Verfahren ist schematisch in einem Flussdiagramm der 6 veranschaulicht. Die 8 zeigt ergänzend hierzu schematisch eine Ausführungsvariante einer Prüf- und Auswertevorrichtung V.
Hier werden nach einem Start wenigstens eines Prüfstandsaufbaus PS1, PS2 oder PS3 und der Durchführung der gestuften Schwingfestigkeitsversuche in einem ersten Schritt S1 zu verschiedenen Zeiten - beim Versagen eines Probenkörpers 1 vor Erreichen der Soll-Ermüdungslebensdauer N_Soll oder beim Erreichen der Soll-Ermüdungslebensdauer N_Soll - Daten an eine elektronische Auswerteeinrichtung AE der Prüf- und Auswertevorrichtung V übertragen. Dabei sind mehrere Prüfstände PS1, PS2 und PS3 dargestellt, die mit einer Schnittstelle IF der elektronischen Auswerteeinrichtung AE gekoppelt sind. Die Daten werden hierbei dann automatisch in einem Speicher MEM abgelegt und stehen dann in einem Schritt S2 zur Verfügung, um mittels einer Auswertelogik L der Auswerteeinrichtung AE anhand mehrerer unterschiedlicher Approximationsfunktionen, zum Beispiel entsprechend den 5A bis 5D, zu prüfen, durch welche der möglichen Wahrscheinlichkeitsverteilungen die in den gestuften Schwingfestigkeitsversuchen ermittelten Messdaten für das Erreichen der Soll-Ermüdungslebensdauer N_Soll am besten approximiert werden.
Die Approximationsfunktion mit der größten Übereinstimmung wird in einem Verfahrensschritt S3 durch die Auswertelogik L automatisch ausgewählt, nachdem eine vorgegebene Anzahl an getesteten Probenkörpern vorliegt, sodass ein Nutzer über eine Abfrageeinrichtung Ul der Auswerteeinrichtung AE zu einem bestimmten Spannungsniveau und mithin zu einer bestimmten Belastungsamplitude eine Versagenswahrscheinlichkeit zur Soll-Ermüdungslebensdauer N_Soll auf Basis dieser ausgewählten Wahrscheinlichkeitsverteilung erfragen kann. Eine Ausgabe erfolgt hierbei dann über eine Ausgabeeinrichtung D der Auswerteeinrichtung AE, zum Beispiel in Form eines Displays. Dabei erfolgt eine Ausgabe erst auf ein Freigabesignal von der Auswerteeinheit AE hin, und damit nachdem eine Approximationsfunktion ausgewählt wurde. Eine Abfrage wird somit erst ermöglicht, nachdem eine ausreichende Anzahl von getesteten Probenkörpern vorliegt und damit mit ausreichender statistischer Sicherheit eine bestimmte Approximationsfunktion ausgewählt werden konnte.
In einem nachfolgenden Verfahrensschritt S4 erfolgt über die Auswertelogik L die Bestimmung eines Übergangsbereiches oder Umschaltpunktes, an dem durch die approximierte Wahrscheinlichkeitsverteilung die Versagenswahrscheinlichkeit zu einer bestimmten Ermüdungslebensdauer nicht mehr (nennenswert, das heißt zum Beispiel um 0,5 % oder mehr) besser abgebildet wird als mit einem lebensdauerbasierten Ansatz, bei dem anhand der ermittelten Messpunkte im S-N-Diagramm eine Wöhlerkurve approximiert wird und von einer festen Wahrscheinlichkeitsverteilung, zum Beispiel einer Normalverteilung, der Punkte auf der Wöhlerkurve ausgegangen wird. Grundsätzlich lässt sich ein Umschaltpunkt beispielweise anhand einer Auswertung gewinnen, bei der betrachtet wird, ab welcher Ermüdungslebensdauer eine Mehrheit der getesteten Probenkörper (50% oder mehr) versagt. Gibt es (noch) eine Mehrheit an nichtversagenden Probenkörper („Durchläufern“), wird mit der durch die approximierte Wahrscheinlichkeitsverteilung ermittelten Versagenswahrscheinlichkeit, mithin einem beanspruchungsbasierten Ansatz gearbeitet. Überwiegen demgegenüber die versagenden Probenkörpern, wird mit einer festen Wahrscheinlichkeitsverteilung und mithin einem lebensdauerbasierten Ansatz gearbeitet. Über die Auswertelogik L wird somit anhand angefragter Belastungsamplituden und/oder angefragter zu erreichender Ermüdungslebensdauern auf wenigstens zwei unterschiedliche Ansätze zurückgegriffen, um einem Nutzer auf Basis der vorliegenden experimentellen Daten (a) zu einer angefragten Belastungsamplitude eine Sicherheitsermüdungslebensdauer mitzuteilen, die mit einer festgelegten statistischen Sicherheit von 95 % oder mehr erreicht wird, oder (b) zu einer angefragten (Ziel-) Ermüdungslebensdauer eine Belastungsamplitude mitzuteilen, die nicht überschritten werden sollte, um diese Ermüdungslebensdauer mit der gewünschten statistischen Sicherheit von 95 % oder mehr zu erreichen.
Mittels der Auswertelogik L wird somit der Datenbereich der ermittelten und approximierten S-N-Werte entsprechend der 7 in einem Schritt S4 in zwei Bereiche A und B unterteilt. In einem (linken) Bereich A kleinerer Ermüdungslebensdauern und höherer Belastungsamplituden wird mit einem lebensdauerbasierten Ansatz und mittels einer approximierte Wöhlerkurve WL gearbeitet, um einem Nutzer eine Sicherheitsermüdungslebensdauer auszugeben. Hierbei wird beispielsweise angenommen, dass alle Datenpunkte der Wöhlerkurve WL die besten 5 % einer normal verteilten Population darstellen und für eine Sicherheitsermüdungslebensdauer gelten soll, dass zu einer angefragten Belastungs- oder Beanspruchungsamplitude diese mit 95%-iger oder größerer Wahrscheinlichkeit erreicht wird. Auf Basis einer angenommenen Normalverteilung V1 liegt somit eine Sicherheitsermüdungslebensdauer stets unterhalb der dargestellten Wöhlerkurve WL und der hiermit wiedergegebenen Datenpunkte.
In einem „rechten“ Bereich B größerer Ermüdungslebensdauern und niedriger Belastungsamplituden wird ferner die für die Soll-Ermüdungslebensdauer N_Soll approximierte Wahrscheinlichkeitsverteilung und damit ein beanspruchungsbasierter Ansatz gewählt, um bei einer angefragten Belastungsamplitude auf eine Sicherheitsermüdungslebensdauer mit der gewünschten statistischen Sicherheit („confidence level“) zurückzurechnen. Eine für die Soll-Ermüdungslebensdauer N_Soll approximierte Wahrscheinlichkeitsverteilung V2 wird somit nicht für die Soll-Ermüdungslebensdauer N_Soll zugrunde gelegt, sondern auch für kleinere Ermüdungslebensdauern innerhalb des Bereichs B.
Die jeweilige Sicherheitsermüdungslebensdauer, die sich aus der angefragten Belastungsamplitude, der Wöhlerkurve WL und/oder der hinterlegten Wahrscheinlichkeitsverteilung V1 oder V2 ergibt, wird in einem Schritt S5 über die Ausgabeeinrichtung AE als Ergebnis R im Flussdiagramm der 6 ausgegeben.
Bezugszeichenliste

1: Probenkörper
10: Endabschnitt
11: Mittelstück
12: Endabschnitt
13: Schweißraupe
2: Triebwerk
20: Lufteinlass
21: Fan
22: Verdichter
23: Turbine
24: Abgasdüse
25: Bypasskanal
AE: Auswerteeinrichtung
D: Ausgabeeinrichtung
E: Eintrittsrichtung
IF: Schnittstelle
L: Auswertelogik
MEM: Speicher
PS1, PS2, PS3: Prüfstandsaufbau
R: Ausgabe
S1 - S5: Verfahrensschritt
T: Triebwerksachse
UI: Abfrageeinrichtung
V: Vorrichtung
V1, V2: Wahrscheinlichkeitsverteilung
WL: Wöhlerkurve

Claims

Vorrichtung zur Prüfung von Probenkörpern (1) und zur Auswertung von Schwingfestigkeitsversuchen, wobei die Vorrichtung (V) wenigstens das Folgende umfasst: - wenigstens einen Prüfstandsaufbau (PS1, PS2, PS3) zur Durchführung von Schwingfestigkeitsversuchen an identisch ausgebildeten Probenkörpern (1) und - eine elektronische Auswerteeinrichtung (AE), mittels der o zu jedem Probenkörper (1), an dem ein Schwingfestigkeitsversuch durchgeführt wurde, in ersten Datensätzen wenigstens erfasst wird, bei welcher Belastungsamplitude und bei welcher Zyklenanzahl ein Versagen des Probenkörpers (1) auftrat, und o aus den ersten Datensätzen für mehrere mit unterschiedlichen Belastungsamplituden durchgeführte Schwingfestigkeitsversuche zumindest ein Teil einer Wöhlerkurve (WL) approximiert wird, dadurch gekennzeichnet, dass - die Vorrichtung (V) ferner eingerichtet und vorgesehen ist, identisch ausgebildete Probenkörper (1) einem gestuften Schwingfestigkeitsversuch zur Ermittlung eines Ermüdungsschwellwertes zu unterziehen, wobei bei dem gestuften Schwingfestigkeitsversuch mittels der Auswerteeinrichtung (AE) für eine Soll-Ermüdungslebensdauer (N_Soll), die für die gestuften Schwingfestigkeitsversuche vorgegeben ist und die im Bereich einer Zeitschwingfestigkeit oder Dauerfestigkeit der approximierten Wöhlerkurve (WL) liegt, in zweiten Datensätzen automatisch wenigstens erfasst wird, ob ein Probenkörper (1) bei einer voreingestellten und bei aufeinanderfolgenden Versuchen stufenweise veränderten Belastungsamplitude versagt oder nicht, - in der Auswerteeinrichtung (AE) mehrere unterschiedliche Approximationsfunktionen hinterlegt sind und die Auswerteeinrichtung (AE) eingerichtet und vorgesehen ist, wenigstens aus den zweiten Datensätzen eine Wahrscheinlichkeitsverteilung (V2) für ein Versagen zu der Soll-Ermüdungslebensdauer (N_Soll) in Abhängigkeit von der Belastungsamplitude automatisch zu bestimmen, indem eine Auswertelogik (L) der Auswerteeinrichtung (AE) für die mehreren unterschiedlichen Approximationsfunktionen jeweils ermittelt, welchen Grad der Übereinstimmung eine Approximationsfunktion mit den Daten der zweiten Datensätze aufweist, und eine der Approximationsfunktionen mit dem höchsten Grad an Übereinstimmung ausgewählt wird, wenn eine vorgegebene Anzahl an zweiten Datensätzen vorliegt, und - die Vorrichtung ferner eine Abfrageeinrichtung (UI) aufweist, die mit der Auswerteeinheit (AE) gekoppelt ist, um ein Freigabesignal von der Auswerteeinheit (AE) zu erhalten, wenn eine Approximationsfunktion ausgewählt wurde, wobei nach Erhalt eines Freigabesignals mittels der Abfrageeinrichtung (UI) zu einer durch einen Nutzer angefragten Belastungsamplitude auf Basis der Wahrscheinlichkeitsverteilung (V2) ausgebbar ist, wie hoch die Wahrscheinlichkeit eines Versagens des Probenkörpers (1) zur Soll-Ermüdungslebensdauer (N_Soll) ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Abfrageeinrichtung (UI) auf Basis der Wahrscheinlichkeitsverteilung (V2) ein Bereich einer Belastungsamplitude ausgebbar ist, für den die Wahrscheinlichkeit eines Versagens des Probenkörpers (1) zur Soll-Ermüdungslebensdauer (N_Soll) unterhalb eines bestimmten Grenzwerts liegt.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine der Approximationsfunktionen durch - eine Normalverteilung, - eine logarithmische Normalverteilung, - eine Exponentialverteilung oder - eine Weibull-Verteilung definiert ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass für wenigstens eine von der Soll-Ermüdungslebensdauer (N_Soll) abweichende Ermüdungslebensdauer eine andere Wahrscheinlichkeitsverteilung (V1) zu Belastungsamplituden in einem Speicher (MEM) der Auswerteeinrichtung (AE) hinterlegt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die andere Wahrscheinlichkeitsverteilung (V1) eine Normalverteilung ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinrichtung (AE) eingerichtet ist, für eine durch einen Nutzer angefragte Belastungsamplitude eine Sicherheitsermüdungslebensdauer auszugeben, die sich aus dem approximierten Teil der Wöhlerkurve (WL) und einer Wahrscheinlichkeitsverteilung (V1, V2) unter der Annahme ergibt, dass (a) ein Punkt der approximierten Wöhlerkurve (WL) jeweils eine Belastungsamplitude repräsentiert, an der bei wenigstens 90% der Probenkörper (1) ein Versagen auftritt, und (b) die Sicherheitsermüdungslebensdauer von mehr als 90% der Probenkörper (1) erreicht werden soll.
Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5 und dem Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinrichtung (AE) eingerichtet ist, für einen ersten Bereich von durch einen Nutzer anfragbarer Belastungsamplituden eine Sicherheitsermüdungslebensdauer auszugeben, die durch einen vorgegebenen Sicherheitsparameter und die andere Wahrscheinlichkeitsverteilung (V1) bestimmt ist, und für einen zweiten Bereich geringerer Belastungsamplituden eine Sicherheitsermüdungslebensdauer auszugeben, die durch den vorgegebenen Sicherheitsparameter und die aus den Approximationsfunktionen ermittelte Wahrscheinlichkeitsverteilung (V2) bestimmt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass durch den Sicherheitsparameter vorgegeben ist, dass entsprechend der hinterlegten Wahrscheinlichkeitsverteilung (V1, V2) mehr als 95%, insbesondere mehr als 99% der Probenkörper (1) die Sicherheitsermüdungslebensdauer bei der angefragten Belastungsamplitude erreichen.
Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass in der Auswerteeinrichtung (AE) ein Schwellwert für die Belastungsamplitude und/oder die Ermüdungslebensdauer hinterlegt ist, wobei die Auswerteeinrichtung (AE) ab diesem Schwellwert die eine oder die andere Wahrscheinlichkeitsverteilung (V1, V2) zugrunde legt, um eine Sicherheitsermüdungslebensdauer zu ermitteln und auszugeben.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Probenkörper (1) für ein Bauteil eines Turbinentriebwerks (2) repräsentativ sind.
Verfahren zur automatischen Auswertung von Schwingfestigkeitsversuchen, bei dem Datensätze zu an identisch ausgebildeten Probenkörpern (1) durchgeführten Schwingfestigkeitsversuchen elektronisch ausgewertet und zur Ermittelung einer Wahrscheinlichkeitsverteilung (V2) genutzt werden, wobei über die Wahrscheinlichkeitsverteilung (V2) abgebildet wird, wie hoch die Wahrscheinlichkeit eines Versagens eines Probenkörpers (1) zu einer Soll-Ermüdungslebensdauer (N_Soll) in Abhängigkeit von einer Belastungsamplitude ist, dadurch gekennzeichnet, dass - identisch ausgebildete Probenkörper (1) einem gestuften Schwingfestigkeitsversuch zur Ermittlung eines Ermüdungsschwellwertes unterzogen werden, wobei hierbei für die Soll-Ermüdungslebensdauer (N_Soll) in Datensätzen wenigstes erfasst wird, ob ein Probenkörper (1) bei einer voreingestellten und bei aufeinanderfolgenden Versuchen stufenweise veränderten Belastungsamplitude versagt oder nicht, und - in einer elektronischen Auswerteeinrichtung mehrere unterschiedliche Approximationsfunktionen hinterlegt sind und die Auswerteeinrichtung eingerichtet und vorgesehen ist, aus den Datensätzen automatisch die Wahrscheinlichkeitsverteilung (V2) für ein Versagen zu der Soll-Ermüdungslebensdauer (N_Soll) in Abhängigkeit von der Belastungsamplitude zu bestimmen, indem eine Auswertelogik der Auswerteeinrichtung für die mehreren unterschiedlichen Approximationsfunktionen jeweils ermittelt, welchen Grad der Übereinstimmung eine Approximationsfunktion mit den Daten des zweiten Datensatzes aufweist, und eine der Approximationsfunktionen mit dem höchsten Grad an Übereinstimmung ausgewählt wird, wenn eine vorgegebene Anzahl an Datensätzen vorliegt.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (AE) mit einer Abfrageeinrichtung (UI) gekoppelt ist, an die die Auswerteeinheit (AE) ein Freigabesignal sendet, wenn eine Approximationsfunktion ausgewählt wurde, und dass nach Erhalt eines Freigabesignals mittels der Abfrageeinrichtung (UI) von einem Nutzer eine Belastungsamplitude anfragbar ist und auf Basis der bestimmten Wahrscheinlichkeitsverteilung (V2) mittels der Abfrageeinrichtung (UI) ausgeben wird, wie hoch die Wahrscheinlichkeit eines Versagens des Probenkörpers (1) zur Soll-Ermüdungslebensdauer (N_Soll) ist.
Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine der Approximationsfunktionen durch - eine Normalverteilung, - eine logarithmische Normalverteilung, - eine Exponentialverteilung oder - eine Weibull-Verteilung definiert ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass in der Auswerteeinrichtung (AE) zumindest ein Teil einer approximierten Wöhlerkurve (WL) hinterlegt ist, die jeder Belastungsamplitude eines vorgegebenen Intervalls eine Ermüdungslebensdauer zuordnet, und für jede Ermüdungslebensdauer eine Wahrscheinlichkeitsverteilung (V1, V2) abrufbar ist, um anhand einer vorgegebenen Belastungsamplitude eine Sicherheitsermüdungslebensdauer zu ermitteln, die von mehr als 90% der Probenkörper bei der vorgegebenen Belastungsamplitude erreicht wird.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass für einen ersten Bereich von Belastungsamplituden eine andere Wahrscheinlichkeitsverteilung (V1) zu jeder zugehörigen Ermüdungslebensdauer hinterlegt wird als für einen zweiten Bereich geringerer Belastungsamplituden, wobei für den zweiten Bereich die aus den Approximationsfunktionen ermittelte Wahrscheinlichkeitsverteilung (V2) zu jeder zugehörigen Ermüdungslebensdauer hinterlegt wird.
Computerprogrammprodukt mit Programmcode zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 11 bis 15, wenn das Computerprogramm in einer computerbasierten elektronischen Auswerteeinrichtung ausgeführt wird.