DE102018114440B3

DE102018114440B3 - Verfahren und Messgerät zum Ermitteln von schwingenden Lasten an Objekten oder Orten

Info

Publication number: DE102018114440B3
Application number: DE102018114440.7A
Authority: DE
Inventors: Michael Mahler; Kerstin Mahler
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2018-06-15
Filing date: 2018-06-15
Publication date: 2019-09-26
Anticipated expiration: 2038-06-16

Abstract

Es wird ein Messgerät zum Ermitteln von schwingenden Lasten an einem Objekt oder Ort sowie ein Verfahren zum Ermitteln schwingender Lasten an einem Objekt oder Ort angegeben. Das Verfahren sieht zunächst die Aufzeichnung von schwingenden Lasten in Abhängigkeit der Zeit mit dem Messgerät vor. Anschließend werden ein erstes Extremum und zweites Extremum ermittelt. Daraufhin wird wischen dem ersten Extremum und dem zweiten Extremum eine Einwirkzeit ermittelt. In der Folge wird dann eine linearisierte Steigung zwischen dem ersten Extremum und dem zweiten Extremum berechnet. Basierend auf Steigung, und Einwirkzeit wird daraufhin ein Ausschlag berechnet und im weiteren Verlauf aus einem Funktionswert des ersten Extremums sowie des Ausschlages ein Mittelwert berechnet. Aus Ausschlag, Mittelwert und Steigung wird daraufhin ein Datenpunkt gebildet. Anschließend wird ein Beanspruchungsdatensatz gebildet, der mindestens einen Datenpunkt umfasst und zuletzt wird der Beanspruchungsdatensatz in einem Speichermedium gespeichert.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und Messgerät zum Ermitteln von schwingenden Lasten an Objekten oder Orten.
Schwingende Lasten wirken sich direkt auf die Lebensdauer, das Verhalten und die Funktion von Bauteilen aus. Während der Konstruktion von Objekten ist es daher wichtig zukünftig auftretende Lasten bereits abschätzen zu können, um gewährleisten zu können, dass das konstruierte Objekt tatsächlich den Lasten, denen es ausgesetzt sein wird, standhält und seine Aufgabe erfüllt. Zum Zwecke dieser Lastermittlung werden messtechnisch gestützt oder teilweise manuell die auftretenden Lasten aufgezeichnet. Die auftretenden Lasten lassen sich dabei einerseits direkt durch Beschleunigungen oder Auslenkungen messen, andererseits können aber auch Folgeerscheinungen, wie z. B. Verformung, Spannung, Druck oder Erwärmung gemessen werden. Anstelle der zeitaufgelösten Aufnahme von Lasten interessiert häufig wie oft ein bestimmter Lastzustand erreicht wurde.
Anhand der Lastaufnahme oder der Zählung wie oft ein bestimmter Lastzustand eingetreten ist, kann ein Fachmann die Belastbarkeit, Funktion und Lebensdauer eines Objekts beurteilen bzw. das Bauteilverhalten bis zum mechanischen Versagen prognostizieren.
Für die messtechnische oder manuelle Aufnahme von Lasten sowie für die Zählung von Lastereignissen haben sich verschiedene Verfahren etabliert. Die einzelnen Verfahren unterscheiden sich u. a. in Art und Umfang der Daten, die dem Verfahren zugrunde gelegt werden, aber auch in der Darstellung der Ergebnisse.
Oftmals müssen die aufgenommenen Daten für nachfolgende Arbeitsschritte überarbeitet werden. Solche Überarbeitungen werden notwendig, da die aufgenommenen Daten in der vorliegenden, aus der Messung resultierenden Form, nicht verwendet werden können oder zu umfangreich sind. Häufig werden bei der Überarbeitung von Lastdaten sogenannte Zählverfahren und Transformationen eingesetzt. Zählverfahren sind statistische Auswerte- und Reduktionsmethoden. Bei Fragestellungen der Betriebsfestigkeit sind gängige Zählverfahren z. B. die Bereichspaar- und Mittelwertzählung, die Von-Bis-Zählung und die Rainflow-Zählung. Als Transformation wird häufig die Fouriertransformation gewählt um in der Frequenzbereichsdarstellung Aussagen über die Schwingcharakteristik treffen zu können.
Am häufigsten kommt das Rainflow-Verfahren zum Einsatz. Das Rainflow-Verfahren wertet die Datenaufnahme nach vollen Schwingspielen aus. Hierbei hat ein Schwingspiel ein Startwert in einem Extremum und es wird aufgezählt, wenn dieses Extremum wieder erreicht oder überschritten wird. Besonders vorteilhaft ist das Rainflow-Verfahren, da geschlossene Hysteresen gezählt werden, die den werkstoffmechanischen Eigenschaften der Objekte sehr nahekommen. Neben dem Rainflow-Verfahren wird häufig eine sogenannte Bereichszählung verwendet. Bei der Bereichszählung werden als Bereiche die Differenzen von zwei aufeinander folgenden Extremwerten des Signals gezählt. Das Zählergebnis wird als Summenhäufigkeit dargestellt.
Eine Erweiterung des Bereichszählverfahrens ist das Bereichspaarzählverfahren. Mit der Bereichspaarzählung wird die Häufigkeit von Schwingbreiten ermittelt. Ein Bereichspaar besteht aus einer positiven und einer negativen Flanke gleicher Größe und Mittelspannung. Die zueinander passenden Flanken können je nach dem Verlauf der Bereichspaarzählung direkt nacheinander oder auch in größeren Abständen auftreten. Das Zählergebnis wird als Summenhäufigkeitskurve dargestellt.
Häufig sind bei der Beanspruchungsanalyse unterschiedliche Beanspruchungsgrößen, wie Amplitude, Mittelwert, Auslenkung, Gesamtkraft oder die Anzahl an Lastereignissen bis zum Versagen eines Bauteils von Interesse. Um jedoch all diese verschiedenen Messgrößen zu ermitteln, müssen häufig verschiedene Mess- und Zählverfahren gleichzeitig eingesetzt werden.
Es besteht daher ein Bedarf an einem automatisierten, einfachen und einfach zu analysierenden Verfahren zum Ermitteln und Auswerten von Lasten sowie einem entsprechenden Messgerät.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche 1 und 11 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind jeweils Gegenstand der Unteransprüche. Diese können in technologisch sinnvoller Weise miteinander kombiniert werden. Die Beschreibung, insbesondere im Zusammenhang mit der Zeichnung, charakterisiert und spezifiziert die Erfindung zusätzlich.
Gemäß der Erfindung wird ein Verfahren zum Ermitteln von schwingenden Lasten an einem Objekt oder Ort durch ein Messgerät angegeben, das die folgenden Schritte umfasst. Zunächst wird die schwingende Last in Abhängigkeit der Zeit mittels des Messgerätes aufgezeichnet. Anschließend wird ein erstes Extremum und ein zweites Extremum innerhalb der Aufzeichnung ermittelt, wobei das zweite Extremum direkt auf das erste Extremum folgt, daraufhin wird eine Einwirkzeit zwischen dem ersten Extremum und dem zweiten Extremum ermittelt. anschließend wird zwischen dem ersten Extremum und dem zweiten Extremum eine linearisierte Steigung berechnet. Anschließend wird der Ausschlag aus der linearisierten Steigung und der Einwirkzeit berechnet. Danach wird ein Mittelwert zwischen dem ersten Extremum und dem zweiten Extremum aus dem Funktionswert des ersten Extremums und des Ausschlags berechnet.
Anschließend wird ein Datenpunkt aus Ausschlag, Mittelwert und Steigung gebildet, woraufhin ein Beanspruchungsdatensatz aus mindestens einem Datenpunkt gebildet wird. Zuletzt wird der Beanspruchungsdatensatz in einem Speichermedium gespeichert.
Demnach wird ein Verfahren zur Beanspruchungsmessung bzw. zur Festigkeitsbemessung angegeben, bei dem Ausschläge, Mittelwerte und Steigungen direkt ermittelt werden. Somit ist es einerseits möglich, die Messkurve anhand eines reduzierten Datensatzes, der nur Ausschläge, Mittelwerte und Steigungen umfasst, bis auf Fehler durch linearisierte Steigungen exakt wiederherzustellen. Andererseits ist es aber mit dem angegeben Verfahren aber auch möglich, die Ausschläge, Mittelwerte und Steigungen einem Zählverfahren oder einem Klassifizierungsverfahren zu unterziehen. Der Begriff Beanspruchungsmessung wird als gleichbedeutend zu einer Lastmessung gesehen, da Lasten, insbesondere schwingende Lasten, eine Belastung eines Objekts, zum Beispiel in Form einer Kraft-Belastung, oder eine Belastung eines Ortes, zum Beispiel in Form einer Lärm-Belastung, darstellen.
Anstelle der linearisierten Steigung könnte auch die linearisierte Frequenz aufgenommen werden, die sich aus dem Kehrwert der Einwirkzeit ergibt. Somit würde mit einer Art amplitudennormierten Steigung gerechnet werden. Der Begriff amplitudennormiert bezieht sich dabei auf das Fehlen der Angabe einer Amplitude bei der Berechnung der linearisierten Frequenz. Die Einwirkzeit kann dabei die Dauer zwischen zwei aufeinanderfolgenden Extrema oder ein beliebiger Vielfacher/ Teiler davon sein. Die Begriffe Amplitude und Ausschlag werden als gleichbedeutend angesehen. Amplituden oder Ausschläge können zu einem Nullpunkt oder zu einem Mittelwert, aber auch zu einem festen anderen Punkt bezogen angegeben werden.
Generell sieht das Verfahren vor auf Messungen basiert einen Datenpunkt zu bilden, der in jedem Fall eine Steigung oder eine Frequenz beinhaltet. Üblicher weise werden dem Datenpunkt zusätzlich noch Ausschläge und Mittelwerte zugeordnet. Es wäre aber auch möglich einen Datenpunkt aus Steigung, erstem Extremum und zweiten Extremum zu bilden. Allgemeiner formuliert kann ein Datenpunkt aus Steigung oder Frequenz in Verbindung mit einer der Größen erstes Extremum, zweites Extremum, Mittelwert, Ausschlag oder Bereichspaar gebildet werden. Ein Bereichspaar ist eine zweiparametrige Kombination aus einer negativen und einer positiven Flanke gleicher Größe. Das angegebene Verfahren ist also mindestens dreiparametrig.
Da dem Beanspruchungsdatensatz bereits Datenpunkte zugefügt werden, die nur noch aus Ausschlag, Mittelwert und Steigung bestehen, ist in einem weiteren Schritt der Datenanalyse das Erstellen sogenannter Blockkollektive oder gestufter Lastdiagramme oder anderer statistischer Darstellungen, die die Belastung wiedergeben, ohne weitere Datenverarbeitung möglich. Unter einem Extremum wird im Kontext dieser Erfindung ein Messpunkt verstanden, dessen mathematische erste Ableitung die Steigung Null besitzt. Die Steigung zwischen einem ersten Extremum und einem zweiten Extremum wird berechnet, indem die Änderung der Beanspruchung durch die Änderung der Zeit geteilt wird. Somit bekommt eine linearisierte Steigung von einem Maximum zu einem Minimum ein negatives Vorzeichen und von einem Minimum zu einem Maximum ein positives Vorzeichen. Die Einwirkzeit wird definiert als die betragsmäßige Zeit zwischen zwei aufeinanderfolgenden Extrema. Unter Zuhilfenahme dieser Einwirkzeit, welche halbiert wird, und der linearisierten Steigung wird der Ausschlag eines Extremums angegeben. Der Mittelwert wird nun ausgehend vom ersten Extremum durch Addition des Funktionswertes des ersten Extremums und des Ausschlages berechnet.
Bei der Aufzeichnung der schwingenden Lasten kann entweder die tatsächliche Zeit berücksichtigt werden oder jedoch eine Abtastrate, oder dem englischen Sprachgebrauch folgend auch Samplerate genannt, angegeben werden. Hinsichtlich der Berechnung von Einwirkzeiten ist es sinnvoll, dass die Samplerate über die gesamte Messung hinweg konstant ist. So kann beispielsweise die Einwirkzeit als die Anzahl der Sampleintervalle zwischen einem ersten und einem zweiten Extremum angegeben werden. Jedoch ist es auch möglich, unter Angabe der jeweiligen Samplerate nicht konstante, sondern wie häufig verwendet, entsprechend der Funktionsfrequenz adaptiven Sampleraten, anzugeben.
Der Beanspruchungsdatensatz umfasst also Datenpunkte, die ausschließlich aus Ausschlägen, Mittelwerten und Steigungen oder Frequenzen bestehen. Möglich wäre es, die Größen der Datenpunkte über mehr als ein Intervall von einem ersten Extremum zu einem zweiten Extremum zu berechnen. Beispielsweise könnte ein Mittelwert zwischen einem größten Extremum und einem niedrigsten Extremum, aber auch eine Steigung über mehrere Extrema oder ein mittlerer Ausschlag berechnet werden. In jedem Fall liegen einer weiteren Betrachtung die Größen Ausschlag, Steigung und Mittelwert zugrunde. Möglich ist es die Datenpunkte den ersten Extrema oder den zweiten Extrema zuzuordnen. Dabei ist zu beachten, dass entsprechend der Blickrichtung das Vorzeichen wechselt. Blickt man in positiver Zeitrichtung, so wird die Änderung der Beanspruchung durch Subtraktion des ersten Extremums vom zweiten Extremum berechnet (ZE-EE). In negativer Blickrichtung, also bei Zuordnung zu den zweiten Extrema, wird ebenfalls auch der in Blickrichtung näherliegende Punkt vom weiter entfernt liegenden Punkt abgezogen, in dieser Blickrichtung also erstes Extremum minus zweites Extremum (EE-ZE). Alternativ könnte auch immer die Zeit als positiv bei Zuordnung zu ersten Extrema oder negativ bei Zuordnung zu zweiten Extrema genommen werden. Entsprechend dieser Vorzeichenkonvention ändern auch alle weiteren Berechnungen ihr Vorzeichen abhängig von Schrittrichtung mit oder gegen die Zeit. Zu Zwecken der Rekonstruktion der gemessenen Kurve mittels des Beanspruchungsdatensatzes kann es sinnvoll sein, die Information mitaufzunehmen, zu welchen Extrema Datenpunkte zugeordnet wurden. Möglich ist es aber auch dem Beanspruchungsdatensatz Datenpunkte so zuzuführen, dass aufeinanderfolgende Datenpunkte eine Hystereseschleife bilden. Also beispielsweise aus einen Datenpunkt mit bestimmtem Ausschlag derjenige Datenpunkt folgt, der mindestens oder exakt den gleichen oder zumindest sehr ähnlichen Ausschlag aufweist. Somit käme es zu einer Bereichspaarzählung beziehungsweise einem Verfahren, dass dem Rainflow-Verfahren ähnelt.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung umfasst das Bilden des Beanspruchungsdatensatzes das Filtern von Datenpunkten, wobei solche Datenpunkte gefiltert werden, von denen mindestens eine der Größen Ausschlag, Mittelwert oder Steigung ober- oder unterhalb einer oberen oder unteren Schranke liegt.
Demnach wird die Datenmenge im Beanspruchungsdatensatz reduziert, in dem beispielsweise Schwingungen, die zur Grund- oder Hintergrundsbeanspruchung gehören, nicht aufgenommen werden. Abhängig von der Art der Festigkeitsmessung können beispielsweise oberhalb einer Schranke liegende Ausschläge herausgefiltert werden, wenn eine Schädigung lediglich durch kleinere, aber möglicherweise höher frequente Beanspruchungen zu erwarten ist.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung werden die obere und die untere Schranke von einem Bediener festgelegt und im Messgerät hinterlegt.
Demnach kann ein Bediener, der eine Festigkeitsbemessung, also einen Beanspruchungstest durchführt, basierend auf Normen oder Erfahrungswerten für die Messung irrelevante Punkte durch Angabe zweier Schranken reduzieren, oberhalb oder unterhalb derer Datenpunkte nicht berücksichtigt werden. Denkbar ist auch die Angabe von nur einer Schranke, wenn beispielsweise lediglich werte über- oder unterhalb einer oberen oder unteren Grenze von Interesse sind.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung werden die obere und die untere Schranke von einer Recheneinheit des Messgerätes entsprechend einer von einem Bediener vorgegeben Sollverteilung während des laufenden Verfahrens adaptiv ermittelt.
Wirken sich beispielsweise sehr große Ausschläge, die aber besonders selten vorkommen, maßgeblich auf die Festigkeit oder Lebensdauer eines Objekts aus, d.h. es liegen Ereignisse vor, die für eine Ermittlung von schwingenden Lasten besonders relevant sind, so kann ein Bediener eine entsprechende statistische Verteilung vorgeben, durch die solche seltenen Extremereignisse bzw. Datenpunkte die diese Ereignisse widerspiegeln, ausschließlich oder hauptsächlich im Beanspruchungsdatensatz berücksichtigt werden. Ist bei einem Beanspruchungszustand eines Objekts beispielsweise bekannt, dass Ausschläge um den Mittelwert Null normal verteilt sind, so kann ein Bediener durch Wahl dieser Normalverteilung und Angabe eines Streuintervalls bezwecken, dass ausschließlich Datenpunkte mit großer Abweichung vom Mittelwert im Beanspruchungsdatensatz berücksichtigt werden. Entsprechend der mechanischen Freiheitsgrade eines Objekts und der möglichen Schwingungszustände können auch andere nicht symmetrische Verteilungen oder Verteilungen mit einem verschobenen Gesamtmittelwert gewählt werden.
Da zu Beginn einer Messung die tatsächliche Verteilung der Messwerte noch nicht feststeht, kann es auch möglich sein, Datenpunkte, die bereits im Beanspruchungsdatensatz berücksichtigt wurden, aus diesem wieder zu entnehmen. Dementsprechend kann eine Filterung von Datenpunkten dem Beanspruchungsdatensatz vorausgehen oder aber im Beanspruchungsdatensatz stattfinden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung umfasst das Bilden des Beanspruchungsdatensatzes die Ordnung der Datenpunkte entsprechend ihres zeitlichen Auftretens.
Demnach besteht innerhalb des Beanspruchungsdatensatzes eine Wohlordnung, die eine Rekonstruktion der gemessenen Beanspruchungszustände ermöglicht. Das zeitliche Auftreten kann dabei einerseits die tatsächliche Zeit, eine Relativzeit, bezogen auf einen Messbeginn, oder die Nummer des jeweiligen Sampleschrittes sein.
Gemäß der Erfindung werden Ausschläge Ausschlags-Bereichen, Mittelwerte Mittelwerts-Bereichen und Steigungen Steigungs-Bereichen zugeordnet, wobei sich die Bereiche einzelner Größen (Ausschläge, Mittelwerte und Steigungen) überlappungsfrei über ein Intervall von einem unteren Punkt zu einem oberen Punkt erstrecken, wobei die Zuordnung auf dem gemessenen Wert der jeweiligen Größe basiert und eine Größe demjenigen höchsten Bereich zugeordnet wird, dessen unteren Punkt sie berührt oder überschreitet.
Demnach werden die Größen Bereichsklassen zugeordnet, so dass eine einfache Zählung, wie oft ein jeweiliger Bereich einer jeweiligen Größe erreicht wurde, durchgeführt werden kann. Besonders bei der statistischen Auswertung von schwingenden Lasten ist eine solche Einordnung in Bereiche von Nutzen, da ein Bediener im Schadensfall feststellen kann, wie oft gewisse Zustände erreicht wurden. Insbesondere in Verbindung mit einer Filterung der Daten ergibt sich ein kompakter und einfach zu überblickender Datensatz, der ohne weitere und tiefgründigere Analyse Rückschlüsse auf die Belastbarkeit und Lebensdauer eines Objekts zulässt. Auch lassen sich Visualisierungen der Belastungszustände, wie gestufte Kollektive oder Blockdiagramme oder auch Lastmatrizen einfach erzeugen, und es ist hierfür kein weiterer Rechen- oder Analyseaufwand notwendig.
Durch Summenbildung einzelner Ereignisse ist es demnach auch möglich reduzierte Blockkollektive zu ersten. Falls beispielsweise Steigungen für ein reines Ausschlags-Mittelwert-Blockkollektiv uninteressant sind summiert man die Steigungsklassen mit gleichem Ausschlag und Mittelwert einfach auf. Gleiches gilt für die Summierung von anderen Größen innerhalb eines Bereichs oder aber auch bereichsübergreifend. Mittels der Summenbildung von Klassenwerten wird also ein reduziertes Kollektiv erreicht, was eine einfache Darstellung der Lastmessung ermöglicht.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung werden die unteren Punkte und die oberen Punkte des Intervalls für je eine Größe sowie die Anzahl an Bereichen innerhalb dieses Intervalls entweder von einem Bediener festgelegt oder durch eine Recheneinheit des Messgeräts adaptiv anhand der berechneten Größe (Ausschläge, Mittelwerte, Steigungen) berechnet.
Demnach ist die Granularität des Ausschlagsbereichs, des Mittelwertsbereichs und des Steigungsbereichs entweder fest einstellbar oder passt sich den tatsächlich gemessenen Werten während des laufenden Messverfahrens an. Auch hier könnte ein Bediener für je eine Größe eine gewünschte Sollverteilung angeben. Ist beispielsweise aufgrund der schwingenden Lasten des Objekts und der erwarteten Beanspruchungszustände davon auszugehen, dass jede Steigung gleich wahrscheinlich ist, so kann ein Bediener für den Steigungsbereich eine Gleichverteilung als Zielverteilung vorgeben. Die Recheneinheit wird daraufhin die Bereiche so aufteilen, dass jeder Bereich die gleiche Anzahl an Steigungen beinhaltet. Insbesondere müssen die Bereiche nicht gleich groß sein.
So sind beispielsweise auch Bereiche möglich, deren Größe von einem kleinsten Bereich zu einem größten Bereich hin logarithmisch wachsen. Insbesondere kann für jede Größe ein eigenes Intervall, eine eigene Anzahl an Bereichen, eine eigene Sollverteilung oder jeweils spezielle Größen der Bereiche angegeben werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung werden die Datenpunkte entsprechend der Bereichszuordnung ihrer Größen in Klassen eingeteilt, wobei die Anzahl an möglichen Klassen aus der Anzahl der Ausschlagsbereiche multipliziert mit der Anzahl der Mittelwertsbereiche multipliziert mit der Anzahl der Steigungsbereiche resultiert, wobei die jeweilige Klassenzuordnung gemeinsam mit dem Datenpunkt in den Beanspruchungsdatensatz aufgenommen wird.
Demnach wird die Einzelstatistik der Bereichszuordnung einzelner Größen, d.h. die Bereichsklassen, über einen gemeinsamen Klassenbegriff in eine gemeinsame Klassenstatistik überführt. Dies macht die Auswertung der Beanspruchungsmessung durch einen Bediener besonders einfach, da in einem Fall von mechanischem Versagen vorrangig gefragt werden kann, welche Klasse besonders häufig, also mit besonders großer Wahrscheinlichkeit für die mechanische Zerstörung eines Objekts zuständig ist.
Gemäß der Erfindung wird auch ein Messgerät zur Aufzeichnung und Verarbeitung von schwingenden Lasten angegeben, bei dem eine Messeinheit mit einem Beschleunigungsmessgerät, eine Aufzeichnungseinheit zum temporären Speichern von Beanspruchungsdaten, eine Recheneinheit zum Berechnen von Ausschlägen, Steigungen und Mittelwerten, eine Speichereinheit zum Speichern von Beanspruchungsdaten und eine Übertragungseinheit zum Übertragen von Beanspruchungsdaten vorgesehen sind.
Das Messgerät kann insbesondere direkt am zu belastenden Objekt angebracht werden und hierfür über verschiedene Montagemittel verfügen. Als Montagemittel eignet sich insbesondere Schlaufen, Saugnippel, Magnete oder temporäre Klebeverbindungen. Zur Energieversorgung kann das Messgerät einen Energiespeicher umfassen, der beispielsweise in Form eines Akkumulators entnehmbar bereitgestellt werden kann. Darüber hinaus ist es auch möglich, die Übertragungseinrichtung für die kabellose Übertragung von Beanspruchungsdaten auszulegen. Insbesondere kann die Übertragungseinrichtung in ein WLAN-Netzwerk einbindbar sein.
Des Weiteren wird ein Softwareprogrammprodukt angegeben, das für einen Prozessor lesbare Befehle enthält, die geeignet sind, ein Verfahren wie oben beschrieben durchzuführen.
Denkbar sind auch theoretische computergestützte Messverfahren wie zum Beispiel die Finite Elemente Methode, Rechnergestützte Fluiddynamik (Computational Fluid Dynamics), Randelementmethode (Boundary Element Method), Virtuelle Elemente Methode (Virtual Element Method), oder Ähnliche Verfahren, bei denen die folgenden Schritte analog zur Messung in der Realität durchgeführt werden:

■ Bereitstelle eines Computermodells,
■ Simulieren von schwingenden Lasten in Abhängigkeit der Zeit,
■ Aufzeichnen der simulierten schwingenden Lasten in Abhängigkeit der Zeit,
■ Ermitteln eines ersten Extremums und eines zweiten Extremums innerhalb der Aufzeichnung, wobei das zweite Extremum direkt auf das erste Extremum folgt,
■ Ermitteln einer Einwirkzeit zwischen erstem Extremum und zweitem Extremum,
■ Berechnen einer linearisierten Steigung zwischen erstem Extremum und zweitem Extremum,
■ Berechnen eines Ausschlags aus linearisierter Steigung und halber Einwirkzeit,
■ Berechnen eines Mittelwerts zwischen erstem Extremum und zweitem Extremum aus einem Funktionswert des ersten Extremums und des Ausschlags,
■ Bilden eines Datenpunktes aus Ausschlag, Mittelwert und Steigung,
■ Bilden eines Beanspruchungsdatensatzes aus mindestens einem Datenpunkt, und
■ Speichern des Beanspruchungsdatensatzes in einem Speichermedium.

Auch für diese Simulation können wieder Filter, Bereiche und Klassen ganz analog zum Messen einer Belastung in der Realität, entsprechend einem der vorgenannten Verfahren, angegeben werden.
Das Computermodel kann dabei einen Ort, ein Objekt, einen Raum oder ein System beschreiben.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

1A eine schematische Darstellung eines Schrittes eines erfindungsgemäßen Verfahrens,
1B einen ersten weiteren Schritt eines erfindungsgemäßen Verfahrens,
1C einen zweiten weiteren Schritt eines erfindungsgemäßen Verfahrens,
1D einen dritten weiteren Schritt eines erfindungsgemäßen Verfahrens,
1E einen vierten weiteren Schritt eines erfindungsgemäßen Verfahrens,
1 F einen fünften weiteren Schritt eines erfindungsgemäßen Verfahrens,
1G einen sechsten weiteren Schritt eines erfindungsgemäßen Verfahrens,
2 einen siebten weiteren Schritt eines erfindungsgemäßen Verfahrens,
3 einen achten weiteren Schritt eines erfindungsgemäßen Verfahrens, und
4 einen neunten weiteren Schritt eines erfindungsgemäßen Verfahrens.

In den Figuren sind gleiche oder gleich wirkende Bauteile mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
Unter Bezugnahme auf die 1A bis 1G werden nachfolgend Verfahrensschritte bei der Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens erläutert. Weitere Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens werden in den 2, 3 und 4 gezeigt.
In 1 ist schematisch das Verfahren zum Ermitteln von schwingenden Lasten an einem Objekt durch ein Messgerät gezeigt. 1 bezieht sich dabei auf die Zuordnung der Datenpunkte zu den ersten Extrema EE, also auf eine Blickrichtung in positiver Zeit. Die Zuordnung zu zweiten Extrema ZE würde eine Änderung der Vorzeichen bewirken. 1A zeigt eine Aufzeichnung AZ einer schwingenden Last BE, welche mittels eines Messgeräts in Abhängigkeit der Zeit gemessen wurde. Das dargestellte Intervall vom Beginn der Beanspruchung BE bis zum Ende der Beanspruchung BE kann dabei ein Teilausschnitt der Gesamtmessung oder die Gesamtmessung als solche sein. Nach dem nun die Aufzeichnung AZ mindestens eines Teilintervalls der Beanspruchung BE erfolgte, wird wie in 1B gezeigt, ein erstes Extremum EE und ein zweites Extremum ZE ermittelt. Das zweite Extremum ZE folgt dabei über die Zeit betrachtet direkt auf das erste Extremum EE. Bei weiteren Iterationen des erfindungsgemäßen Verfahrens würden die beiden Punkte für das erste Extremum EE und das zweite Extremum ZE jeweils um einen Schritt bis zum nächsten Extremum nach rechts wandern.
Extrema ergeben sich aus der ersten Ableitung der Beanspruchungszeitfunktion: $Erstes Extremum EE oder zweites Extremum ZE=f' (t) = \frac{d}{d t} BE = 0.$
1C zeigt die Ermittlung der Einwirkzeit EZ zwischen aufeinanderfolgenden Extrema. Die Einwirkzeit ist die Differenz zwischen dem Zeitpunkt des zweiten Extremums und des ersten Extremums. Basierend auf der Ermittlung der Einwirkzeit EZ sowie des ersten Extremums EE und des zweiten Extremums ZE, wird wie in 1D gezeigt eine linearisierte Steigung zwischen dem ersten Extremum EE und dem zweiten Extremum ZE berechnet. Die Berechnung folgt dabei dem Zusammenhang: $S T = \frac{B E (Z E) - B E (E E)}{E Z} = \frac{Δ Β Ε}{E Z} .$
Dabei beschreibt BE(ZE) sowie BE(EE) die Beanspruchungszeitfunktion BE an den Stellen des zweiten bzw. ersten Extremums. Demnach wird der eigentliche Funktionsverlauf zwischen einem ersten Extremum EE und einem zweiten Extremum ZE bei der Datenaufnahme vernachlässigt. Basierend auf der Hälfte der Einwirkzeit EZ und der linearisierten Steigung ST wird wie in 1E gezeigt, ein Ausschlag berechnet. Der Ausschlag wird dabei ausgehend von dem ersten Extremum EE berechnet. Der mathematische Zusammenhang zwischen Einwirkzeit EZ, Steigung ST und Ausschlag AU lautet dabei: $A U = \frac{1}{2} * E Z * S T .$
In 1F ist der darauffolgende Verfahrensschritt gezeigt, bei dem ausgehend vom Funktionswert des ersten Extremums EE und dem Ausschlag AU ein Mittelwert MW zwischen dem ersten Extremum EE und dem zweiten Extremum ZE berechnet wird. Der mathematische Zusammenhang für diesen Verfahrensschritt lautet: $M W = f (E E) + A U .$
Dabei ist f(EE) der Funktionswert an der Stelle des ersten Extremums EE. Bei der Zuordnung der Datenpunkte zu zweiten Extrema ZE wird der Funktionswert am zweiten Extremum genommen. Zu beachten ist dann aber auch, dass die Steigung ihr Vorzeichen umkehrt. In 1G werden die Größen Ausschlag AU, Mittelwert MW und Steigung ST, welche gemeinsam einen Datenpunkt DP bilden, gemeinsam gezeigt. Da sich die Berechnungen für die Steigung ST den Ausschlag AU, die Einwirkzeit EZ sowie den Mittelwert MW auf das erste Extremum EE beziehen, sind diese Größen ausgehend von dem ersten Extremum EE angetragen und sollen diesem ersten Extremum EE auch zugeordnet werden. Es wäre aber auch ohne weiteres möglich, den Datenpunkt DP mit den Größen Ausschlag AU, Mittelwert MW und Steigung ST dem zweiten Extremum ZE zuzuordnen. Insgesamt können sich also bezüglich der Anzahl an Extrempunkten und der Anzahl an Datenpunkten folgende Konstellationen ergeben:

- der Beginn einer Beanspruchungsmessung sowie das Ende einer Beanspruchungsmessung werden als Extremwerte betrachtet. Demnach gibt es bei N Extrema N + 1 Datenpunkte.
- der letzte Messpunkt einer Beanspruchungsmessung wird als Extrempunkt angesehen. Demnach gibt es bei N Extremwerten innerhalb einer Beanspruchungsmessung N Datenpunkte, wenn die Datenpunkte jeweils dem ersten Extremum EE zugeordnet werden. Analog ergibt sich die Anzahl der Datenpunkte, wenn der ersten Messpunkt einer Beanspruchungsmessung als Extrempunkt betrachtet wird und die Datenpunkte dem zweiten Extremum ZE zugeordnet werden.
- wird weder der Beginn einer Messreihe noch das Ende einer Messreihe als Extrempunkt betrachtet, so ergeben sich bei N Extrempunkten N - 1 Datenpunkte.

In einem nicht gezeigten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens wird auf die 1G folgend ein Beanspruchungsdatensatz aus mindestens einem Datenpunkt gebildet. Anschließend wird dieser Beanspruchungsdatensatz in einem Speichermedium gespeichert.
Anstelle einer Steigung könnte auch immer eine Frequenz angegeben werde, wobei sich die Frequenz aus $F R = \frac{1}{E Z},$
mit der Einwirkzeit EZ oder einem Vielfachen/ Bruchteil davon berechnet.
In 2 wird ein weiterer Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens gezeigt, bei dem das Bilden des Beanspruchungsdatensatzes, das Filtern von Datenpunkten umfasst. Dieses Filtern soll im Folgenden rein qualitativ und nicht unter Bezugnahme auf mögliche Werte der Größen Ausschlag AU, Mittelwert MW und Steigung ST, wie beispielsweise in 3 gezeigt, dargestellt werden. Ist es einem Bediener, der Beanspruchungsmessungen durchführt, aus Erfahrungswerten oder technischen Überlegungen heraus bekannt, dass gewisse Beanspruchungscharakteristika für die Festigkeitsbemessung von Bauteilen irrelevant oder zumindest weniger relevant sind, so kann er Punkte, die diese Charakteristika aufweisen, ausschließen. Diese ausgeschlossenen Datenpunkte werden dann nicht dem Beanspruchungsdatensatz zugeführt.
Im Folgenden wird davon ausgegangen, dass Datenpunkte den ersten Extrema zugeordnet werden. Bezogen auf 2 könnte es z. B. sein, dass der Mittelwert zwischen den Punkten A und B betragsmäßig sehr nahe an der Null ist, so dass aufgrund dieses Mittelwerts der Datenpunkt, welcher A zugeordnet werden würde, nicht in dem Beanspruchungsdatensatz aufgenommen wird. Der Datenpunkt, welcher B zugeordnet würde, weist qualitativ betrachtet, einen sehr geringen Ausschlag AU auf, so dass, basierend auf dem Ausschlag AU der Datenpunkt des Punktes B herausgefiltert werden könnte. Zwischen den Punkten D und E ergibt sich eine besonders große positive Steigung.
Möglich wäre es demnach, den Datenpunkt der dem Punkt D zugeordnet wird, herauszufiltern. Der Funktionsverlauf zwischen den Punkten C und D weist zwar auch eine große Steigung auf, jedoch ist diese Steigung negativ. Ist aus Erfahrungswerten heraus bekannt, dass sich negative Steigungen der Beanspruchungsdaten besonders stark auf die Festigkeit eines Objekts auswirken, so könnte der Datenpunkt, der dem Punkt C zugeordnet würde, trotz eines nah an der Null liegenden Mittelwertes MW und eines geringen Ausschlages AU in den Beanspruchungsdatensatz aufgenommen werden. Ein einstellbarer Filter bezieht sich demnach auf logische Verknüpfungen der Größen Ausschlag AU, Mittelwert MW und Steigung ST. Beispielsweise könnte ein Datenpunkt nicht in den Beanspruchungsdatensatz aufgenommen werden, wenn lediglich eine der Größen einen zu geringen Wert aufweist. Ebenso ist es denkbar, dass ein Datenpunkt, von dem eine Größe zwar unterhalb eines gesetzten Schwellenwertes liegt, eine andere Größe aber eine obere Grenze eines Schwellenwertes übersteigt.
Ein weiterer Verfahrensschritt des erfindungsgemäßen Verfahrens ist in 3 gezeigt. Bei der dargestellten Beanspruchungsmessung wurde der erste sowie der letzte Messpunkt der Messreihe als Extrempunkt betrachtet, so dass sich bei N Extrempunkten N + 1 Datenpunkte ergeben. Ebenso wurden alle Extrempunkte in dem Beanspruchungsdatensatz aufgenommen, da entweder kein Filter angegeben war oder aber alle Punkte, die Kriterien um nicht herausgefiltert zu werden, erfüllt haben. Nachdem nun für jeden Extrempunkt ein Datenpunkt mit Ausschlag AU, Steigung ST und Mittelwert MW berechnet wurde, werden die jeweiligen Größen Ausschlag AU, Mittelwert MW und Steigung ST der Datenpunkte in Bereiche eingeteilt. Diese Bereiche sind in 4 exemplarisch dargestellt. Die Bereiche reichen dabei von einem unteren Punkt bis zu einem oberen Punkt eines Intervalls und überschneiden sich dabei nicht. So ist das Ausschlagsintervall von einer unteren Grenze Null bis zu einer oberen Grenze Sechs in insgesamt sechs Ausschlags-Bereiche eingeteilt. Der erste Bereich läuft dabei von unten beginnend einschließlich der Null bis einschließlich der Eins, der zweite Bereich nicht mehr einschließlich der Eins, jedoch einschließlich der Zwei, der dritte Bereich nicht mehr einschließlich der Zwei, jedoch einschließlich der Drei usw. Mathematisch gesprochen stehen also eckige Klammern für offene, runde Klammern für geschlossene Intervalle.
Das Intervall für die Mittelwerte läuft wie 4 zeigt, von -10 bis 10, wobei dieses Intervall in drei Bereiche aufgeteilt wurde, die nicht alle gleich groß sind. Auch das Intervall für die Steigung weist diese Charakteristik auf, wobei zusätzlich die Intervallobergrenze und die Intervalluntergrenze nicht symmetrisch um die Null liegen. Die Intervallgrenzen der 4 könnten von einem Bediener händisch eingegeben worden sein oder aber anhand einer vorgegebenen Sollstatistik adaptiv von einer Recheneinheit des Messgerätes berechnet worden sein.
Der erste Datenpunkt der 3 weist einen Ausschlag AU von 5, eine Steigung ST von 7 und einen Mittelwert MW von 3,5 auf. Diese Größen würden den jeweiligen Bereichen der 4 zugeordnet werden. Entsprechend einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens würde dann eine Zählung erfolgen, wie viele Größenbereichskombinationen jeweils von einem Datenpunkt erfasst werden. Diese sogenannten Klassen umfassen drei Dimensionen (Ausschlags-Bereiche, Mittelwerts-Bereiche und Steigungs-Bereiche). Die Anzahl an Klassen ergibt sich aus der Anzahl an Ausschlagsbereichen multipliziert mit der Anzahl an Mittelwertsbereichen multipliziert mit der Anzahl an Steigungsbereichen. Diese Klassenzuordnung wird in einem nicht dargestellten Verfahrensschritt in den Beanspruchungsdatensatz aufgenommen.
Schwingende Lasten können beispielsweise Beanspruchungen aufgrund von mechanischer, thermischer, akustischer, elektrischer oder strahlender Belastung sein.
Die vorstehend und die in den Ansprüchen angegebenen sowie die den Abbildungen entnehmbaren Merkmale sind sowohl einzeln als auch in verschiedener Kombination vorteilhaft realisierbar. Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern im Rahmen fachmännischen Könnens in mancherlei Weise abwandelbar.

Claims

Verfahren zum Ermitteln von schwingenden Lasten an einem Objekt oder Ort durch ein Messgerät umfassend die folgenden Schritte: ■ Aufzeichnen von schwingenden Lasten in Abhängigkeit der Zeit mit dem Messgerät, ■ Ermitteln eines ersten Extremums und eines zweiten Extremums innerhalb der Aufzeichnung, wobei das zweite Extremum direkt auf das erste Extremum folgt, ■ Ermitteln einer Einwirkzeit zwischen erstem Extremum und zweitem Extremum, ■ Berechnen einer linearisierten Steigung zwischen erstem Extremum und zweitem Extremum, ■ Berechnen eines Ausschlags aus linearisierter Steigung und Einwirkzeit, ■ Berechnen eines Mittelwerts zwischen erstem Extremum und zweitem Extremum aus einem Funktionswert des ersten Extremums und des Ausschlags, ■ Zuordnen der Ausschläge zu Ausschlags-Bereichen, der Mittelwerte zu Mittelwerts-Bereichen und der Steigungen zu Steigungs-Bereichen, wobei sich die Bereiche einzelner Größen überlappungsfrei über ein Intervall von einem unteren Punkt zu einem oberen Punkt erstrecken, wobei die Zuordnung auf dem gemessenen Wert der jeweiligen Größe basiert und eine Größe demjenigen höchsten Bereich zugeordnet wird, dessen unteren Punkt sie berührt oder überschreitet, ■ Bilden eines Datenpunktes aus Ausschlag, Mittelwert und Steigung, ■ Bilden eines Beanspruchungsdatensatzes aus mindestens einem Datenpunkt, und ■ Speichern des Beanspruchungsdatensatzes in einem Speichermedium.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Bilden des Beanspruchungsdatensatzes das Filtern von Datenpunkten umfasst, wobei solche Datenpunkte gefiltert werden, von denen mindestens eine der Größen Ausschlag, Mittelwert oder Steigung ober- oder unterhalb einer oberen oder unteren Schranke liegt.
Verfahren nach Anspruch 2, bei dem die obere und untere Schranke von einem Bediener festgelegt und im Messgerät hinterlegt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, bei dem die obere und untere Schranke von einer Recheneinheit des Messgeräts entsprechend einer von einem Bediener vorgegebenen Sollverteilung während des laufenden Verfahrens adaptiv ermittelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem das Bilden des Beanspruchungsdatensatz die Ordnung der Datenpunkte entsprechend ihres zeitlichen Auftretens umfasst.
Verfahren nach Anspruch 5, bei dem die unteren Punkte und oberen Punkte des Intervalls für je eine Größe sowie die Anzahl an Bereichen innerhalb dieses Intervalls von einem Bediener festgelegt werden.
Verfahren nach Anspruch 5, bei dem die unteren Punkte und oberen Punkte des Intervalls für je eine Größe sowie die Anzahl an Bereichen innerhalb dieses Intervalls durch eine Recheneinheit adaptiv anhand der berechneten Ausschläge, Mittelwerte und Steigungen berechnet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, bei dem Datenpunkte entsprechend der Bereichszuordnung ihrer Größen in Klassen eingeteilt werden, wobei sich die Anzahl an möglichen Klassen aus der Anzahl der Ausschlags-Bereiche multipliziert mit der Anzahl der Mittelwerts-Bereiche multipliziert mit der Anzahl der Steigungs-Bereiche ergibt, wobei die jeweilige Klassenzuordnung gemeinsam mit dem Datenpunkt in den Beanspruchungsdatensatz aufgenommen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem der Beanspruchungsdatensatz gebildet wird, indem Datenpunkte entsprechend eines wiederholten Auftretens von Steigung, Mittelwert oder Ausschlag geordnet werden, sodass jeweils zwei aufeinanderfolgende Datenpunkte innerhalb des Beanspruchungsdatensatzes eine geschlossene Hysterese bezüglich Steigung, Mittelwert oder Ausschlag beschreiben.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei dem aus der Einwirkzeit eine linearisierte Frequenz berechnet wird und anstelle der linearisierten Steigung verwendet wird.
Messgerät zur Aufzeichnung und Verarbeitung von schwingenden Lasten, zur Durchführung eines der Verfahren nach Anspruch 1 bis 10, umfassend eine Messeinheit mit einem Messgerät wie z. B. ein Beschleunigungsmessgerät, ein Druckmessgerät, ein Elektromagnetstrahlungsmessgerät oder ein Strahlungsmessgerät, eine Aufzeichnungseinheit zum temporären Speichern von Beanspruchungsdaten, eine Recheneinheit zum Berechnen von Ausschlägen, Steigungen, Mittelwerten, oder daran abgeleitete Werte, eine Speichereinheit zum Speichern von Beanspruchungsdaten und eine Übertragungseinrichtung zum Übertragen von Beanspruchungsdaten.
Messgerät nach Anspruch 11, bei dem die Übertragungseinrichtung die Beanspruchungsdaten mittels eines Senders kabellos an einen Empfänger weiterleitet.
Messgerät nach Anspruch 11 oder 12, wobei das Messgerät einen Energiespeicher umfasst.
Softwareprogrammprodukt, das für einen Prozessor lesbare Befehle enthält, die geeignet sind, ein Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10 durchzuführen.