DE102019208090A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Bestimmen der Gestaltfestigkeit eines nach einem gegebenen Herstellungsverfahren hergestellten Produktes - Google Patents

Abstract

Verfahren (20) zum Bestimmen einer Gestaltfestigkeit (11) eines nach einem gegebenen Herstellungsverfahren (12) hergestellten Produktes, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:- Parameter von Herstellungsverfahren (12) verschiedener Produkte und deren Gestaltfestigkeit (11) werden erfasst (21),- anhand von Abhängigkeiten der Gestaltfestigkeit (11) von den Parametern der Herstellungsverfahren (12) der Produkte wird ein Regressionsmodell gebildet (23) und- ausgehend von den Parametern des gegebenen Herstellungsverfahrens (12) wird mittels des Regressionsmodelles eine Vorhersage (24) hinsichtlich der Gestaltfestigkeit (11) des Produktes getroffen.

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen der Gestaltfestigkeit eines nach einem gegebenen Herstellungsverfahren hergestellten Produktes. Die vorliegende Erfindung betrifft darüber hinaus eine entsprechende Vorrichtung, ein entsprechendes Computerprogramm sowie ein entsprechendes Speichermedium.
• Stand der Technik
• In Werkstoffkunde und Maschinenbau wird als Schwingfestigkeit (fatigue behaviour) das Verformungs- und Versagensverhalten von Werkstoffen bei zyklischer Beanspruchung bezeichnet. Nach dem Stand der Technik wird die Schwingfestigkeit durch einen Wöhlerversuch gemessen, aus dessen Ergebnissen die sogenannte Wöhlerkurve oder -linie konstruiert werden kann. Diese gibt die Anzahl der ertragbaren Lastwechsel bis zum erwarteten Schwingbruch in Abhängigkeit von der Ausschlagsspannung an und wird üblicherweise in die Bereiche Kurzzeitfestigkeit, Zeitfestigkeit und Dauerfestigkeit unterteilt.
• Die Schwingfestigkeit eines konkreten Bauteils wird auch als Gestaltfestigkeit bezeichnet.
• DE102015008933A1 betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Betriebsfestigkeit eines Bauteils, wobei ein Kerbradius am Bauteil bestimmt wird, wobei ein Berstversuch zur Ermittlung einer statischen Festigkeit des Bauteils durchgeführt wird, wobei mindestens ein Schleuderversuch an einem Bauteil zur Ermittlung einer Zeitfestigkeit durchgeführt wird, um mindestens zwei Wöhlerlinien mit jeweiligen Zeitfestigkeitsgeraden für verschiedene Ausfallwahrscheinlichkeiten zu bestimmen, wobei eine Zeitfestigkeitsgerade einer zensierten Wöhlerlinie zwischen die Zeitfestigkeitsgeraden der bestimmten Wöhlerlinien gelegt wird und wobei eine Dauerfestigkeitsgerade der zensierten Wöhlerlinie horizontal durch einen Schnittpunkt der Zeitfestigkeitsgeraden der zensierten Wöhlerlinie mit einer vorgegebenen Lastwechselschwingspielzahl gelegt wird.
• Offenbarung der Erfindung
• Die Erfindung stellt ein Verfahren zum Bestimmen der Gestaltfestigkeit eines nach einem gegebenen Herstellungsverfahren hergestellten Produktes, eine entsprechende Vorrichtung, ein entsprechendes Computerprogramm sowie ein entsprechendes maschinenlesbares Speichermedium gemäß den unabhängigen Ansprüchen bereit.
• Dem vorgeschlagenen Ansatz liegt der Ausgangspunkt zugrunde, dass eine herkömmliche experimentelle Bestimmung der Wöhler- oder Gassnerlinie mit einer sequenziellen zyklischen Belastung von Ermüdungsproben oder Bauteilen bei unterschiedlichen Spannungsamplituden oder Spannungsabfolgen mit dem Ziel beginnt, die spannungsabhängige Lebensdauer sowie ihre Streuung bis zu einer bestimmten Grenzlastspielzahl zu ermitteln. Die funktionale Abbildung der Lebensdauer und ihrer aleatorischen Streuung bei unterschiedlichen Spannungsamplituden oder bestimmter Serie der Spannungsabfolgen stellt bei diesem Vorgehen die Wöhlerlinie bzw. Gassnerlinie dar.
• Das vorliegend beschriebene Verfahren fußt ferner auf der Einsicht, dass Werkstoff- und Prozessparameter (WPP) der Bauteilherstellung herkömmlicherweise nur bedingt zur Beanspruchbarkeitsermittlung beitragen und nicht systematisch erfasst werden. Daher wird nach dem Stand der Technik regelmäßig eine neue Wöhlerlinienbestimmung benötigt, wenn einer der WPP geändert wird.
• Ein Vorzug dieser Lösung liegt in einem geringen Kosten- und Zeitaufwand, indem Ergebnisse bereits durchgeführter Versuche auch außerhalb des jeweiligen Projektes bei der Auslegung ähnlicher Designelemente berücksichtigt werden.
• Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im unabhängigen Anspruch angegebenen Grundgedankens möglich. So kann bei metallischen Produkten vorgesehen sein, dass die erfassten Parameter sich auf Werkstoff, Formgebung, Zuschnitt, Wärmebehandlung oder Feinbearbeitung des Produktes beziehen. Dies ermöglicht eine effiziente Vorhersage der zyklischen Beanspruchbarkeit von metallischen, glatten oder gekerbten Designelementen und eine schnelle Optimierung der Werkstoffe hinsichtlich ihrer Beanspruchbarkeit. Insgesamt wird die Beanspruchbarkeitsermittlung metallischer Designelemente auf diese Weise beschleunigt oder kann gänzlich entfallen, was die einschlägigen Entwicklungskosten signifikant reduziert.
• Figurenliste
• Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt:
• 1 schematisch ein Regressionswerkzeug gemäß einer ersten Ausführungsform im Kontext eines Entwicklungsprozesses nach dem Stand der Technik.
• 2 das Flussdiagramm eines Verfahrens gemäß einer zweiten Ausführungsform.
• Ausführungsformen der Erfindung
• 1 illustriert einen hybriden Entwicklungsprozess für Designelemente. Durch systematische Erfassung von Werkstoff- und Prozessparametern sowie der zugehörigen experimentell ermittelten Wöhlerlinie in einer Datenbank (10) und anschließende systematische Auswertung mit Methoden des maschinellen Lernens (ML) kann dabei eine Wöhlerlinienvorhersage (24) ohne Durchführung der Wöhlerversuche (18) getroffen werden. Bei der Auslegung der Designelemente (19) wird eine geringere Genauigkeit gefordert; daher kann eine experimentfreie Wöhlerlinienvorhersage (24) erfolgen. In der Erprobungsphase, welche eine höhere Genauigkeit fordert, wird die Wöhlerlinienvorhersage (24) durch Experimente validiert bzw. geschärft. Die Ergebnisse aus diesen Wöhlerversuchen (18) werden in der Datenbank (10) gespeichert und für weitere Vorhersagen (24) benutzt.
• Die Schritte des hierzu angewandten Verfahrens (20) seien nunmehr anhand von 2 im Einzelnen beleuchtet. Zunächst erfolgt demnach - wie oben beschrieben - die systematische Erfassung (Prozess 21) verschiedenster Parameter des Herstellungsprozesses (12 - 1) metallischer Produkte und ihrer Eigenschaften in der Datenbank (10). In Betracht kommt beispielsweise die chemische Zusammensetzung des Ausgangsstoffes, angegeben in prozentualen Anteilen von Kohlenstoff (C), Silizium (Si), Mangan (Mn), Phosphor (P), Schwefel (S), Chrom (Cr), Kupfer (Cu) und Molybdän (Mo). Zu denken ist ferner an unterschiedlichste Prozessschritte des Herstellungsverfahrens (12 - 1) wie Wärmebehandlung (16 - 1) - beschrieben etwa durch die Parameter ^TNormalisierung [°C], T_Härten[°C], t_Härten[min], ${\text{v}}_{\text{Abk}\ddot{\text{u}}\text{hl}}\left[\frac{°\text{C}}{\text{min}}\right]$

  

  T_Medium[°^C], T_Aufkohl[°C], t_Aufkohl[min], T_Anlassen[°C], t_Antassen[°C], ${\text{v}}_{\text{Abk}\ddot{\text{u}}\text{hl}}\left[\frac{°\text{C}}{\text{min}}\right]$

  

  -, Formgebung (14-Figur 1) - resultierend in zu erfassendem Querschnitt, Formfaktor und Spannungsgradienten - sowie Oberflächenbearbeitung (17 - 1) - resultierend in einer bestimmten Rauigkeit (Rz) und Härte (HV). Erfasst werden auf diese Weise schließlich Belastung (z. B. maximale Spannungsamplitude, Kollektivform, -völligkeit und -umfang) und quasistatische Eigenschaften wie Zugfestigkeit, (obere) Streckgrenze, Bruchdehnung, wahre Bruchspannung oder die - etwa nach DIN EN ISO 148-1 bestimmbare - Kerbschlagarbeit des Werkstoffes.
• Sodann werden beim Erfassen der Parameter nicht ermittelbare Informationen abgeschätzt (Prozess 22). Hierzu werden unabhängige Parameter durch übliche werkstoffspezifische Parameter ersetzt und abhängige, beispielsweise quasistatische Parameter durch eine ML-Regression abgeschätzt.
• Auf dieser Grundlage kann ein Training (Prozess 23) des Werkstoffmodells M durch eine geeignete ML-Regressionsmethode, etwa ein auf einem Zufallswald (random forest) basierendes Ensembleverfahren erfolgen, um folgenden Zusammenhang zwischen dem WPP-Eingangsvektor $\overrightarrow{P}$

  

  und der Wöhlerlinie $\overrightarrow{W}$

  

  zu modellieren: $$\overrightarrow{P}\cdot M=\overrightarrow{W}$$

  
• Die Wöhlerlinie $\overrightarrow{W}$

  

  wird hierbei beispielsweise anhand von Neigung, Eckpunkt, Dauerfestigkeit und Streuung beschrieben.
• Anhand dieses Werkstoffmodells M können schließlich weitere Wöhlerlinien ${\overrightarrow{W}}_n$

  

  auf Basis der neuen WPP ${\overrightarrow{P}}_n$

  

  vorhergesagt werden (Prozess 24).
• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
• Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
• Zitierte Patentliteratur
• DE 102015008933 A1 [0004]
• Zitierte Nicht-Patentliteratur
• DIN EN ISO 148-1 [0012]

Claims (10)

1. Verfahren (20) zum Bestimmen einer Gestaltfestigkeit (11) eines nach einem gegebenen Herstellungsverfahren (12) hergestellten Produktes, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: - Parameter von Herstellungsverfahren (12) verschiedener Produkte und deren Gestaltfestigkeit (11) werden erfasst (21), - anhand einer Abhängigkeit der Gestaltfestigkeit (11) von den Parametern der Herstellungsverfahren (12) der Produkte wird ein Regressionsmodell gebildet (23) und - ausgehend von den Parametern des gegebenen Herstellungsverfahrens (12) wird mittels des Regressionsmodelles eine Vorhersage (24) hinsichtlich der Gestaltfestigkeit (11) des Produktes getroffen.
2. Verfahren (20) nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: - das Erfassen (21) der Gestaltfestigkeit (11) erfolgt in einem Wöhlerversuch (18) und - die Vorhersage (24) erfolgt anhand einer Wöhlerlinie.
3. Verfahren (20) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Wöhlerlinie durch mindestens eines der Folgenden beschrieben wird: - eine Neigung, - ein Eckpunkt, - eine Dauerfestigkeit und - eine Streuung.
4. Verfahren (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Parameter mindestens eines der Folgenden betreffen: - Ausgangsstoffe des Herstellungsverfahrens (12) und - Prozessschritte des Herstellungsverfahrens (12).
5. Verfahren (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Produkte metallisch sind und die Parameter sich auf mindestens eines der Folgenden beziehen: - einen Werkstoff (13) des Produktes, - eine Formgebung (14) des Produktes, - einen Zuschnitt (15) des Produktes, - eine Wärmebehandlung (16) des Produktes oder - eine Oberflächenbearbeitung (17) des Produktes.
6. Verfahren (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch folgendes Merkmal: - beim Erfassen (21) der Parameter nicht ermittelbare Informationen werden abgeschätzt.
7. Verfahren (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch folgendes Merkmal: - das Bilden (23) des Regressionsmodells erfolgt nach einem Zufallswald-Ensembleverfahren.
8. Computerprogramm, welches eingerichtet ist, das Verfahren (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 7 auszuführen.
9. Maschinenlesbares Speichermedium, auf dem das Computerprogramm nach Anspruch 8 gespeichert ist.
10. Vorrichtung (10), die eingerichtet ist, das Verfahren (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 7 auszuführen.

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