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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung und/oder Vorhersage eines Einflusses eines Lastkollektivs auf die Lebensdauer eines Bauteils unter Verwendung eines Simulationsmodells des Bauteils, wobei das Bauteil ein verstärktes Kunststoffmaterial aufweist. Ferner betrifft die Erfindung ein entsprechendes System und ein Computerprogramm.
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Die Ermittlung und Vorhersage eines Einflusses eines Lastkollektivs auf die Lebensdauer eines Bauteils ist ein entscheidender Aspekt bei der Auslegung von Bauteilen für verschiedenste Anwendungen. Für Bauteile, die verstärkte Kunststoffmaterialen (insbesondere kurzfaserverstärkte Kunststoffmaterialien) aufweisen oder die aus solchen bestehen, entstehen aufgrund ihrer vielseitigen und vorteilhaften Eigenschaften immer breitere und neuartige Anwendungsmöglichkeiten, beispielsweise in der Fahrzeugtechnik.
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Um die Festigkeit solcher Bauteile zu bewerten, ist es Stand der Technik einen einstufigen Lebensdauerversuch, den sogenannten Wöhlerversuch, durchzuführen. Hierbei wird das Bauteil unter spezifischen konstanten Umweltbedingungen (Temperatur, Klima) alternierend mit einer konstanten Lastamplitude belastet.
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In realen Anwendungen, beispielsweise Automotive-Anwendungen, unterliegen Bauteile typischerweise jedoch keinen konstanten klimatischen Bedingungen und Lastbedingungen. Vielmehr herrscht eine Kombination aus Lasten, ein sogenanntes Lastkollektiv, bei verschiedenen klimatischen Bedingungen (beispielsweise eine Kombination aus Bauteiltemperatur und Feuchte) vor. Solche Lastkollektive können aus Messungen, beispielsweise aus Motormessungen, oder auch aus dem Lastenheft von Herstellern stammen.
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Es ist aus dem Stand der Technik bekannt, einzelne Lastpunkte, bestehend aus mechanischer Belastung und festen Umweltbedingungen, zu prüfen und daraus geeignete Beanspruchungsmaße zu entwickeln (im Normalfall Wöhler- und Gassnerlinien). Diesbezüglich sei beispielhaft auf M. Sonsino, E. Moosbrugger, Fatigue design of highly loaded short-glass-fibre reinforced polyamide parts in engine compartments , International Journal of Fatigue, Volume 30, Issue 7, 2008, Pages 1279-1288, ISSN 0142-1123 verwiesen. Mit diesen Maßen ist anschließend eine Festigkeitsbewertung möglich.
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Eine Schadensakkumulation kann gemäß dem Stand der Technik hingegen derart durchgeführt werden, dass nur die Last, aber nicht die Umweltdaten variiert werden. Diesbezüglich sei die vom Forschungskuratorium Maschinenbau herausgegebene FKM-Richtlinie Rechnerischer Festigkeitsnachweis für Maschinenbauteile , VDMA-Verlag, 2012, ISBN 978-3-8163-0605-4 angeführt.
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Für reale Problemstellungen, beispielsweise für Fahrzeugkomponenten, gelten jedoch Lastkollektive, die sowohl Last- als auch Umwelteinflüssen unterliegen. Aus dem Stand der Technik bekannte Verfahren können die Bedingungen, denen Bauteile in ihrer realen Anwendung ausgesetzt sind, dabei häufig nicht adäquat abbilden.
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Vor diesem Hintergrund stellt sich die Aufgabe, ein Verfahren zur Ermittlung und/oder Vorhersage eines Einflusses eines Lastkollektivs auf die Lebensdauer eines Bauteils bereitzustellen, mit dessen Hilfe eine realitätsnahe und vorteilhafte Bewertung möglich wird.
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Zur Lösung der Aufgabe wird ein Verfahren zur Ermittlung und/oder Vorhersage eines Einflusses eines Lastkollektivs auf die Lebensdauer eines Bauteils unter Verwendung eines Simulationsmodells des Bauteils vorgeschlagen, wobei das Bauteil ein verstärktes Kunststoffmaterial aufweist,
wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:
- -- a) Bereitstellen eines Lastkollektivs;
- -- b) Berechnen einer Schadensakkumulation mithilfe des Simulationsmodells des Bauteils für das bereitgestellte Lastkollektiv, wobei die Schadensakkumulation in Abhängigkeit von mindestens einem Umweltparameter durchgeführt wird.
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Hierdurch ist es erfindungsgemäß möglich, Umwelteinflüsse bzw. Umgebungseinflüsse durch die Berücksichtigung des mindestens einen Umweltparameters bei der Schadensakkumulation in vorteilhafter Weise miteinzubeziehen. Insbesondere können durch die Berücksichtigung des mindestens einen Umweltparameters in Schritt b) somit Änderungen von Umgebungseinflüssen bei der Schadensakkumulation berücksichtigt werden. Hierdurch lässt sich eine verbessere Betriebsfestigkeitsbewertung erreichen. Insbesondere lässt sich die Lebenszeit von Bauteilen besser abschätzen, da eine Schadensakkumulation auf der Grundlage von realistischen Lastkollektiven durchgeführt werden kann, bei denen neben unterschiedlichen Lasteinflüssen auch variierende Umwelteinflüsse berücksichtigt werden.
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Es ist erfindungsgemäß insbesondere denkbar, dass das Simulationsmodell des Bauteils durch einen digitalen Materialzwilling des verstärkten Kunststoffmaterials gebildet ist. Bei dem digitalen Materialzwilling des verstärkten Kunststoffmaterials kann es sich um ein Modell für die Bewertung und/oder Vorhersage der Lebensdauer von Bauteilen handeln, die dieses verstärkte Kunststoffmaterial aufweisen. Mithilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens ist somit eine virtuelle Vorhersage eines Einflusses eines Lastkollektivs auf die Lebensdauer eines Bauteils unter Verwendung eines Simulationsmodells des Bauteils möglich.
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Verstärkte Polymere, also insbesondere Polymere, welche mit Füllstoffpartikeln, wie Fasern oder Kugeln gefüllt sind, weisen stark anisotrope, viskoelastoplastische, temperaturabhängige Eigenschaften auf, welche zusätzlich medienabhängig, beispielsweise feuchtigkeitsabhängig, sind. Des Weiteren findet man in Bauteilen aus Polymeren neben äußerlichen Kerben auch innere Schwachstellen, sogenannte Bindenähte. Kunststoffe unterliegen im technisch relevanten Bereich großen umwelt- und lastinduzierten Festigkeitseinflüssen. So setzen erhöhte Temperaturen die Festigkeit und Steifigkeit herab. Auch Wechselwirkungen von Umwelteinflüssen mit spannungsmechanischen Einflüssen sind zu bemerken. So wird die Kerbempfindlichkeit, also die Reaktion des Materials auf Kerben oder Spannungsgradienten, maßgeblich durch die Temperatur beeinflusst.
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Mithilfe der vorliegenden Erfindung kann ein digitaler Materialzwilling eines verstärkten Kunststoffmaterials bzw. ein Simulationsmodell eines Bauteils, das dieses verstärkte Kunststoffmaterial aufweist, verwendet werden, um eine Schadensakkumulation unter Berücksichtigung sich ändernder Umgebungseinflüsse durchzuführen. Es ist denkbar, dass der digitale Materialzwilling einen Belastungszustand unter veränderbaren Umwelteinflüssen für ein Bauteil abbilden kann, beispielsweise eine Kombination aus Last, Faserorientierung, Feuchtigkeit, Temperatur und ggf. weiteren Parametern und Eigenschaften. Erfindungsgemäß kann eine vorteilhafte Bewertungsmethode bereitgestellt werden, um Lastkollektive mittels einer geeigneten Schadensakkumulation zu bewerten und/oder Aussagen virtuell darüber zu treffen, ob ein Bauteil ein multidimensionales Lastkollektiv, zusammengesetzt aus Umwelt- und Lastzuständen, übersteht oder nicht.
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Es ist denkbar, dass das Lastkollektiv in Schritt a) durch einen Nutzer oder Anwender bereitgestellt wird. Das Lastkollektiv liegt dabei insbesondere in digitaler Form vor. Das Lastkollektiv kann insbesondere auch als Beanspruchungskollektiv verstanden werden. Vorzugsweise weist das Lastkollektiv einen Datensatz auf, der die Beanspruchung eines Bauteils in einem bestimmten Zeitraum abbildet. In dem Lastkollektiv wird der Verlauf der einwirkenden Kraft oder der auftretenden Spannung über der Zeit bestimmt.
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Erfindungsgemäß kann in Schritt b) durch das Simulationsmodell simuliert bzw. berechnet werden, welchen Einfluss das in Schritt a) bereitgestellte Lastkollektiv auf das betrachtete Bauteil hat. Hierbei wird in vorteilhafterweise zumindest ein Umweltparameter berücksichtigt. Der Umweltparameter gibt vorzugsweise einen Umgebungseinfluss auf das Bauteil, beispielsweise eine Temperatur oder eine Feuchtigkeit, an, der sich als Teil des Lastkollektivs ändert.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung kann das Lastkollektiv beispielsweise ein Anwendungsszenario eines Motorbauteils eines Fahrzeugs betreffen, wobei der Motor beim Starten des Fahrzeugs eine Temperatur von beispielsweise 4°C aufweist und sich in der Folge erwärmt. Diese Erwärmung wird vorzugsweise als sich ändernder Umweltparameter im Lastkollektiv und der Schadensakkumulation berücksichtigt, wodurch eine besonders vorteilhafte Vorhersage und Simulation der Lebensdauer des Bauteils für ein solches Lastkollektiv möglich wird.
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Ein verstärktes Kunststoffmaterial kann erfindungsgemäß insbesondere als Kunststoff verstanden werden, der Verstärkungen in Form von mindestens einem Füllstoff aufweist. Das verstärkte Kunststoffmaterial ist vorzugsweise ein faserverstärktes Kunststoffmaterial oder ein mit Partikeln verstärktes Kunststoffmaterial. Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es denkbar, dass das verstärkte Kunststoffmaterial eine Polymermatrix und einen Füllstoff umfasst, wobei bevorzugt:
- - der Füllstoff ein Fasermaterial, insbesondere Glasfasern und/oder Kohlenstofffasern, umfasst, und/oder
- - der Füllstoff mineralische Partikel umfasst. Für die Polymermatrix kommen vorzugsweise duroplastische und/oder thermoplastische Kunststoffe infrage. Das Fasermaterial des Füllstoffs kann insbesondere Superkurzfasern, Kurzfasern und/oder Langfasern umfassen. Die durchschnittlichen Faserlängen liegen dementsprechend vorzugsweise im Millimeter- oder Zentimeterbereich. Bei den Partikeln des Füllstoffs kann es sich beispielsweise um Kügelchen oder Fasern handeln. Besonders bevorzugt ist das verstärkte Kunststoffmaterial ein kurzfaserverstärktes Polymer.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ist vorzugsweise ein computerimplementiertes Verfahren.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen sowie der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen entnehmbar.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass durch das Berechnen der Schadensakkumulation in Schritt b) eine Gesamtschädigung erhalten wird, wobei die Gesamtschädigung vorzugsweise angibt, ob das Bauteil das Lastkollektiv überlebt oder nicht, oder wobei aus der Gesamtschädigung vorzugsweise ableitbar ist, ob das Bauteil das Lastkollektiv überlebt oder nicht. Die Gesamtschädigung kann auch als berechnete bzw. ermittelte Schadenssumme für das Bauteil verstanden werden. Die in Schritt b) erhaltene Gesamtschädigung ist somit eine Vorhersage des Einflusses des Lastkollektivs auf die Lebensdauer des Bauteils.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass sich der mindestens eine Umweltparameter innerhalb des bereitgestellten Lastkollektivs ändert. Die Änderung des mindestens einen Umweltparameters innerhalb des bereitgestellten Lastkollektivs ist insbesondere als zeitliche Änderung des Umweltparameters zu verstehen (also beispielswiese als Temperaturänderung oder Feuchtigkeitsänderung über die Zeit). Die Änderung des mindestens einen Umweltparameters innerhalb des bereitgestellten Lastkollektivs gibt also einen sich ändern Umwelteinfluss auf das betrachtete Bauteil während des Lastkollektivs an.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass ein Einfluss der Änderung des Umweltparameters bei der Berechnung der Schadensakkumulation in Schritt b) mithilfe des Simulationsmodells berücksichtig wird. Es ist insbesondere denkbar, dass der mindestens eine Umweltparameter bei der Schadensakkumulation nicht konstant ist, wobei der Einfluss des sich ändernden Umweltparameters bei der Berechnung der Schadensakkumulation berücksichtig wird.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass sich mehrere Umweltparameter innerhalb des bereitgestellten Lastkollektivs ändern, wobei die Schadensakkumulation in Schritt b) in Abhängigkeit der mehreren Umweltparameter durchgeführt wird, vorzugsweise wobei ein Einfluss der Änderung der mehreren Umweltparameter bei der Berechnung der Schadensakkumulation mithilfe des Simulationsmodells berücksichtig wird. Es können somit beispielsweise sich ändernde Temperatureinflüsse und Feuchtigkeitseinflüsse bei der Berechnung der Schadensakkumulation berücksichtigt werden.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass die Schadensakkumulation in Schritt b) umfasst:
- -- b1) Erzeugen eines synthetischen Bemessungsmaßes, insbesondere einer Wöhlerlinie, für die Kollektivstufen des Lastkollektivs durch das Simulationsmodell des Bauteils;
- -- b2) Berechnen einer Schädigung auf der jeweiligen Kollektivstufe mithilfe des synthetischen Bemessungsmaßes;
- -- b3) Aufsummieren der berechneten Schädigungen je Kollektivstufe zum Erhalten einer Gesamtschädigung. Schritt b) weist gemäß dieser Ausgestaltung somit die Teilschritte b1), b2) und b3) auf. Für die Schadensakkumulation der einzelnen Kollektivstufen können wiederum lineare oder nichtlineare Schadensakkumulationshypothesen, wie sie aus der Literatur bekannt sind, herangezogen werden. Beispielsweise seien diesbezüglich die Miner-Regel oder Modifikationen der Miner-Regel, beispielsweise die Miner-Regel modifiziert nach Haibach oder die Miner-Regel modifiziert nach Liu-Zenner, genannt. Es ist beispielsweise denkbar, dass in Schritt b) eine lineare Schadensakkumulation durchgeführt wird, wobei zur Berechnung der Lebensdauer das Lastkollektiv in einzelne Teilkollektive, insbesondere Rechteckkollektive mit konstanter Amplitude und einer Teilschwingspielzahl, unterteilt wird. Für jedes Teilkollektiv wird eine Teilschädigung berechnet, indem die Teilschwingspielzahl durch die maximal ertragbare Schwingspielzahl bei der jeweiligen Amplitude einer Wöhlerlinie geteilt wird. Die Teilschädigungen aller Teilkollektive werden aufsummiert und ergeben die Gesamtschädigung des Bauteils.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass das Aufsummieren der berechneten Schädigungen für mehrere Lastparameter und Umweltparameter, die mehrere Last- und Umgebungseinflüsse betreffen, erfolgt.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass eine Ordnung der Schadensakkumulation kleiner oder gleich der Anzahl an unabhängigen Parametern des Simulationsmodells ist, wobei die Anzahl an unabhängigen Parametern des Simulationsmodells durch die Lastparameter und Umweltparameter gebildet wird, die in dem Simulationsmodell berücksichtigt sind. Die Anzahl der unabhängigen Parameter des Simulationsmodells entspricht der Anzahl der unabhängigen Parameter, also der Lastparameter und Umweltparameter, die in dem digitalen Materialzwilling berücksichtigt sind. Die Anzahl an unabhängigen Parametern des digitalen Materialzwillings kann auch als Dimension des digitalen Materialzwillings verstanden werden. Die Lastparameter und Umweltparameter, die in dem Simulationsmodell berücksichtigt sind, umfassen vorzugsweise einen, mehrere oder alle der folgenden Parameter:
- - eine, insbesondere lokale, Temperatur,
- - eine, insbesondere lokale, Feuchtigkeit, bevorzugt einer Wasserfeuchtigkeit,
- - lokale mechanische Spannungszustände eines Bauteils, bevorzugt Normal- und/oder Subspannungen, und/oder Spannungsgradienten innerhalb eines Bauteils,
- - eine Faserorientierung eines Füllstoffs des verstärkten Kunststoffmaterials,
- - Einflüsse von Umgebungsmedien des Bauteils, insbesondere von lokal vorhandenen Ölen und/oder Fetten,
- - Einflüsse von Bindenähten des Bauteils, und/oder
- - ein, insbesondere lokales, Spannungsverhältnis und/oder eine Mittelspannung des Bauteils bei zyklischer Prüfung.
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Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann das Simulationsmodell des Bauteils mithilfe eines digitalen Materialzwillings für das verstärkte Kunststoffmaterial gebildet sein. Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es denkbar, dass der digitale Materialzwilling, insbesondere ein Modell, für das verstärkte Kunststoffmaterial für die Bewertung und/oder Vorhersage der Betriebsfestigkeit von Bauteilen, die das verstärkte Kunststoffmaterial aufweisen, mithilfe des folgenden Verfahrens erzeugt wird:
- Verfahren zur Erzeugung eines digitalen Materialzwillings, insbesondere eines Modells, für ein verstärktes Kunststoffmaterial für die Bewertung und/oder Vorhersage der Betriebsfestigkeit von Bauteilen, die das verstärkte Kunststoffmaterial aufweisen, wobei das Verfahren zur Erzeugung des digitalen Materialzwillings die folgenden Schritte umfasst:
- - in einem ersten Schritt werden
- -- mithilfe von Messungen an einer oder mehreren Proben Daten betreffend einen oder mehrere Parameter, insbesondere Lastparameter und Umweltparameter, ermittelt, und/oder
- -- mithilfe von Simulationen von einer oder mehreren Proben Daten betreffend einen oder mehrere Parameter, insbesondere Lastparameter und Umweltparameter, ermittelt, wobei die eine oder die mehreren Proben jeweils das verstärkte Kunststoffmaterial aufweisen;
- - in einem zweiten Schritt wird in Abhängigkeit der ermittelten Daten, der digitale Materialzwilling für das verstärkte Kunststoffmaterial erzeugt.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es vorgesehen, dass in einem dritten Schritt, nach dem zweiten Schritt, das Simulationsmodell für das Bauteil, das das verstärkte Kunststoffmaterial aufweist, auf der Grundlage des digitalen Materialzwillings erzeugt wird.
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Gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Erzeugung eines digitalen Materialzwillings ist es denkbar, dass der digitale Materialzwilling im zweiten Schritt mithilfe einer mehrdimensionalen Interpolation, insbesondere einer multiplen linearen und/oder nichtlinearen Regression und/oder einer Optimierungsmethode nach mehreren Parametern, und/oder einem künstlichen Intelligenz-Verfahren, insbesondere einem neuronalen Netz, in Abhängigkeit der Daten erzeugt wird. Der für die Bewertung verwendete digitale Materialzwilling (bzw. das Modell) kann somit im zweiten Schritt durch geeignete multidimensionale Interpolationen mittels Optimierungsmethoden und/oder über künstlicher Intelligenz-Verfahren, wie neuronale Netze, an reale (und ggf. simulierte) Testdaten, die im ersten Schritt erhalten wurden, gefittet werden.
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Gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Erzeugung eines digitalen Materialzwillings ist es denkbar, dass die im ersten Schritt ermittelten Daten Informationen zu der gemessenen und/oder simulierten Betriebsfestigkeit der einen oder mehreren Proben aufweisen. Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist es denkbar, dass die im ersten Schritt gemessenen Daten zumindest teilweise mithilfe von statischen und/oder zyklischen Belastungsmessungen und/oder mithilfe von Kriechversuchen ermittelt werden. Für den relevanten Parameterraum für die Betriebsfestigkeitsbewertung (beispielsweise umfassend die Last, Feuchtigkeit, Faserorientierung und typischerweise weitere Parameter und/oder Eigenschaften) können dabei in der Praxis nur bestimmte Stellen bzw. Parameterkombinationen (in diesem Parameterraum) durch reale Messungen bzw. Versuche erhalten bzw. geprüft werden. Diese realen Daten, die in einem ersten Schritt erhalten werden, sind die Grundlage für die Erzeugung des digitalen Materialzwillings bzw. Modells in diesem Parameterraum im zweiten Schritt. Der digitale Materialzwilling kann vorzugsweise auf der Grundlage der realen Daten des ersten Schritts erzeugt werden. Somit kann ein digitaler Materialzwilling (bzw. ein Modell) für den gesamten Parameterraum erhalten werden, der auch Stellen bzw. Parameterkombinationen im Parameterraum umfasst, die im ersten Schritt nicht explizit vermessen wurden.
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Gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Erzeugung eines digitalen Materialzwillings ist es denkbar, dass die im ersten Schritt ermittelten Daten Informationen zu einem oder mehreren Lastparametern der Proben aufweisen, und/oder dass die im ersten Schritt ermittelten Daten Informationen zu einem oder mehreren Umweltparametern, betreffend Umgebungseinflüsse, denen die Proben bei der Ermittlung der Daten ausgesetzt sind, aufweisen.
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Gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Erzeugung eines digitalen Materialzwillings ist es denkbar, dass die im ersten Schritt ermittelten Daten für eine, mehrere oder jede der Proben Informationen zu einem oder mehreren der folgenden Parameter, insbesondere Lastparameter und/oder Umweltparameter, aufweisen:
- - einer, insbesondere lokalen, Temperatur der Probe,
- - einer, insbesondere lokalen, Feuchtigkeit der Probe, bevorzugt einer Wasserfeuchtigkeit,
- - einer geometrischen Ausbildung der Probe, insbesondere zu lokalen mechanischen Spannungszuständen, bevorzugt Normal- und/oder Subspannungen, und/oder Spannungsgradienten innerhalb der Probe,
- - einer Faserorientierung eines Füllstoffs des verstärkten Kunststoffmaterials in der Probe,
- - Einflüssen von Umgebungsmedien der Probe, insbesondere von lokal vorhandenen Ölen und/oder Fetten,
- - Einflüssen von Bindenähten der Probe, und/oder
- - einem, insbesondere lokalen, Spannungsverhältnis und/oder einer Mittelspannung der Probe bei zyklischer Prüfung. Mithilfe einiger oder aller der vorhergehend aufgeführten Parameter und Eigenschaften ist der Parameterraum gebildet, für den der digitale Materialzwilling bzw. das Modell ermittelt wird. Durch die Messungen und/oder Simulationen im ersten Schritt werden für bestimmte Stellen in diesem Parameterraum Datensätze erhalten, auf deren Grundlage im zweiten Schritt der digitale Materialzwilling für diesen Parameterraum erzeugt werden kann. Mithilfe des erzeugten digitalen Materialzwillings können somit Bewertungen und/oder Vorhersagen bezüglich des Parameterraums durchgeführt werden, auch für Stellen bzw. spezifische Parameterkombinationen innerhalb des Parameterraums, die im ersten Schritt nicht vermessen wurden. In der späteren Verwendung des digitalen Materialzwillings können somit insbesondere auch sich ändernde Umwelteinflüsse (z.B. Temperaturänderungen oder Feuchtigkeitsänderungen) bei der Schadensakkumulation in Schritt b) berücksichtigt werden.
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Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein System, insbesondere Computersystem, zur Ermittlung und/oder Vorhersage eines Einflusses eines Lastkollektivs auf die Lebensdauer eines Bauteils unter Verwendung eines Simulationsmodells des Bauteils, wobei das Bauteil ein verstärktes Kunststoffmaterial aufweist,
wobei das System zur Ausführung eines Verfahrens gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung konfiguriert ist.
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Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Computerprogramm, umfassend Befehle, die bei der Ausführung des Computerprogramms durch einen Computer diesen veranlassen, ein Verfahren gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung auszuführen.
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Für das erfindungsgemäße System und das erfindungsgemäße Computerprogramm können dabei die Vorteile und Ausgestaltungen Anwendung finden, die bereits im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Ermittlung und/oder Vorhersage eines Einflusses eines Lastkollektivs auf die Lebensdauer eines Bauteils oder im Zusammenhang mit einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Ermittlung und/oder Vorhersage eines Einflusses eines Lastkollektivs auf die Lebensdauer eines Bauteils beschrieben worden sind.
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Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung sollen nachfolgend anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele erläutert werden. Hierin zeigt:
- 1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Erzeugung eines digitalen Materialzwillings; und
- 2 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Ermittlung und/oder Vorhersage eines Einflusses eines Lastkollektivs auf die Lebensdauer eines Bauteils unter Verwendung eines Simulationsmodells des Bauteils.
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In 1 ist ein Blockdiagramm für ein Verfahren zur Erzeugung eines digitalen Materialzwillings 104 für ein verstärktes Kunststoffmaterial gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung gezeigt. In einem ersten Schritt 101 werden Messungen an physischen bzw. realen Proben 10, 11, 12 (also bestimmten erzeugten Bauteilen) durchgeführt und somit Daten 103, insbesondere reale Testdaten, betreffend diese Messungen erzeugt. Bei den Messungen kann es sich beispielsweise um Kriechversuche, zyklische Belastungsmessungen und/oder andere aus der Materialprüfung bekannte Messreihen handeln. Zusätzlich oder alternativ ist es optional möglich, dass Simulationsdaten, beispielsweise bereitgestellt durch Multiskalen-Simulationen, im ersten Schritt ermittelt werden, und Teil der Daten 103 sind. Die Proben 10, 11, 12, die im ersten Schritt getestet, gemessen und/oder simuliert werden, umfassen dabei jeweils ein bestimmtes verstärktes Kunststoffmaterial. Für diese Proben werden im ersten Schritt 101 somit Daten 103, umfassend Informationen bzw. Angaben zu den folgenden Parametern ermittelt:
- - einer Temperatur der Probe 10, 11, 12,
- - einer Feuchtigkeit der Probe 10, 11, 12
- - einer geometrischen Ausbildung der Probe 10, 11, 12, insbesondere zu lokalen mechanischen Spannungen und/oder Spannungsgradienten innerhalb der Probe 10, 11, 12,
- - einer Faserorientierung eines Füllstoffs des ersten verstärkten Kunststoffmaterials in der Probe 10, 11, 12,
- - Einflüssen von Umgebungsmedien der Probe 10, 11, 12,
- - Einflüssen von Bindenähten der Probe 10, 11, 12,
- - einem, insbesondere lokalen, Spannungsverhältnis und/oder einer Mittelspannung der Probe 10, 11, 12 bei zyklischer Prüfung. Die betrachteten Parameter bzw. Eigenschaften bilden einen Parameterraum. Der Parameterraum umfasst also sowohl Umweltparameter, wie die Temperatur und Feuchtigkeit, als auch Lastparameter. Diese realen Daten, die in einem ersten Schritt erhalten werden, sind die Grundlage für die Erzeugung bzw. Ermittlung eines digitalen Materialzwillings 104 für das verstärkte Kunststoffmaterial betreffend diesen Parameterraum im zweiten Schritt.
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Aus den erhaltenen Daten 103 wird in dem zweiten Schritt 102, der digitaler Materialzwilling 104 für das verstärkte Kunststoffmaterial mithilfe einer multidimensionalen Interpolation (betreffend den betrachteten Parameterraum), einer multiplen Regression (betreffend den betrachteten Parameterraum), und/oder einem Optimierungsverfahren nach mehreren Parametern (betreffend den betrachteten Parameterraum) und/oder eines künstliche-Intelligenz-Verfahrens, wie einem neuronalen Netz, erzeugt bzw. gefittet.
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Es ist somit vorzugsweise möglich, dass der erzeugte digitaler Materialzwilling 104 einen real existierenden Belastungszustand abbilden kann, insbesondere eine Kombination aus Last, Feuchtigkeit, Temperatur, Faserorientierung und den weiteren betrachteten Parametern und Eigenschaften.
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Erfindungsgemäß kann pro spezifischem verstärktem Kunststoffmaterial mithilfe eines Verfahrens der vorliegenden Erfindung ein eigener digitaler Materialzwilling 104 erzeugt werden, der für dieses spezifische verstärkte Kunststoffmaterial verwendet werden kann bzw. gültig ist.
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Der erhaltene digitale Materialzwilling 104 wird im Folgenden als Simulationsmodell 105 für ein Bauteil verwendet.
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In 2 ist eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Ermittlung und/oder Vorhersage eines Einflusses eines Lastkollektivs auf die Lebensdauer eines Bauteils unter Verwendung eines Simulationsmodells 105 des Bauteils gezeigt.
Der digitale Materialzwillings 104 bzw. das durch den digitalen Materialzwilling 104 gebildete Simulationsmodells 105 kann als Applikation oder Software einem Nutzer zur Verfügung gestellt werden, der ein Lastkollektiv 201 in die Applikation bzw. Software einlesen und bewerten lassen kann. Das Lastkollektiv 201 wird dem digitale Materialzwillings 104 bzw. dem Simulationsmodell 105 somit bereitgestellt. Dies entspricht einem Schritt a) eines Verfahrens gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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In Schritt 202 wird mittels des digitalen Materialzwillings 104 bzw. des durch den digitalen Materialzwilling 104 gebildeten Simulationsmodells 105 des Bauteils eine multidimensionale Schadensakkumulation, also insbesondere eine Schadensakkumulation sowohl für Last- als auch für Umwelteinflüsse durchgeführt. Dies entspricht dem Schritt b) eines Verfahrens gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Als Ergebnis liegt eine Schadenssumme bzw. Gesamtschädigung 300 vor, die aussagt, ob das Bauteil das Lastkollektiv 201 überlebt oder nicht. Somit wird eine Vorhersage über den Einfluss des Lastkollektivs 201 auf die Lebensdauer eines Bauteils unter Verwendung eines Simulationsmodells 105 des Bauteils getroffen.
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Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird in Schritt 202 durch den digitalen Materialzwilling 104 für das verstärkte Kunststoffmaterial zu jedem im Lastkollektiv 201 auftretenden Zustand eine synthetischer, also ein durch den digitalen Materialzwilling 104 erstellter, Bemessungswert, beispielsweise eine Wöhlerlinie, erstellt. Dieser Bemessungswert wird nun für die Berechnung der Schädigung auf der jeweiligen Kollektivstufe herangezogen. Über das Aufsummieren der Schädigungen je Kollektivstufe wird die Gesamtschädigung 300 erhalten. Im Gegensatz zu aus dem Stand der Technik bekannte Methoden wird die Schädigung dabei vorzugsweise multidimensional, also für mehrere Last- und Umwelteinflüsse, akkumuliert. Dabei liegt die mögliche Ordnung der Dimension der Schadensakkumulation auf der Dimension des digitalen Materialzwillings 104. Die Dimension ist hierbei als Anzahl unabhängiger Parameter zu sehen, also der Anzahl an Lastparametern und Umweltparametern des digitalen Materialzwillings 104. Für die Schadensakkumulation der einzelnen Kollektivstufen können sowohl lineare als auch nichtlineare Schadensakkumulationshypothesen, wie sie in der Literatur zu finden sind, herangezogen werden.
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Bezugszeichenliste
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- 10, 11, 12
- Proben
- 101
- erster Schritt
- 102
- zweiter Schritt
- 103
- Daten
- 104
- digitaler Materialzwilling
- 105
- Simulationsmodell
- 201
- Lastkollektiv
- 202
- Schritt
- 300
- Gesamtschädigung
