DE10257793A1

DE10257793A1 - Modellbasierter Lebensdauerbeobachter

Info

Publication number: DE10257793A1
Application number: DE2002157793
Authority: DE
Inventors: Jürgen Dr.-Ing. Haug; Andreas Dr. König; Hans-Eberhard Dipl.-Ing. Siebert; Jörg Prof. Dr. Wallaschek; Sebastian Dipl.-Ing. Wedman
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Daimler AG
Priority date: 2002-12-11
Filing date: 2002-12-11
Publication date: 2004-07-22

Abstract

Modellbasierter Lebensdauerbeobachter mit folgenden Modulen: DOLLAR A - Ermittlung von Systembelastungen aus der vorhandenen Systemsensorik, insbesondere einer Fahrzeugsensorik, und Aufbereitung der Sensorsignale aus der Systemsensorik zu Belastungszeitverläufen; DOLLAR A - Ermittlung der lokalen Bauteil-Beanspruchungen aus dem Systemmodell und den Belastungszeitverläufen; DOLLAR A - Berechnung der Restlebensdauer der im Systemmodell enthaltenen Bauteile aus den akkumulierten Bauteilschädigungen durch eine Betriebsfestigkeitsanalyse.

Description

Die Erfindung betrifft einen modellbasierten Lebensdauerbeobachter für die Berechnung der Restlebensdauer eines ausgewählten Bauteils. Der modellbasierte Lebensdauerbeobachter verknüpft die Messung betrieblicher Belastungen mittels verfügbarer Sensoren mit einer modellbasierten Aufbereitung der gemessenen Belastungen zu örtlichen Bauteil-Beanspruchungsverläufen und ihrer Bewertung mit einer Schadensakkumulationsrechnung.

Aus der DE 199 37 203 A1 ist eine Überwachung der Lebensdauer eines Lagers bekannt. Mittels Sensoren am Lager werden die Belastungen am Lager vor Ort gemessen. Aus der Lagergeometrie wird mittels eines Finite Elemente Programms die strukturelle Verformung des Lagers unter der gemessenen Belastungen berechnet. In einem weiteren Schritt wird aus der Verformung des Lagers die lokale Rollenbelastung bestimmt und über die Betriebsdauer des Lagers aufsummiert. Aus der gesamten aufgebrachten Lagerbelastung wird dann mittels einer Schädigungsverlaufrechnung die Restlebensdauer der Lagerrollen und damit des Lagers bestimmt. Die gesamte Überwachung erfolgt hierbei nach Kalibrierung der Sensoren in Echtzeit.

Lebensdauerüberwachungen der vorgenannten Art haben den Nachteil, daß die Sensoren zur Bestimmung der Bauteilbelastungen möglichst nahe an dem Bauteil, dessen Lebensdauer überwacht werden soll, angebracht sein müssen. Bei der Bauteilüberwachung von Mehrkörpersystemen, deren einzelne Baugruppen ein komplexes Modell bilden, müssen daher zumindest für die ein zelnen Baugruppen stets Belastungsmessungen vorgenommen werden. Will man auf diese Weise eine Lebensdauerbeobachtung aller Bauteile des Gesamtmodells in Echtzeit realisieren steigt der Aufwand an Sensortechnologie enorm an.

Die Erfindung setzt sich daher zur Aufgabe die Lebensdauer einzelner Bauteile oder Bauteilgruppen innerhalb eines Gesamtmodells mit möglichst wenigen Sensoren zu realisieren.

Die Aufgabe wird gelöst mit einem modellbasierten Lebensdauerbeobachter mit den Merkmalen des Anspruch 1. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen in den Ausführungsbeispielen enthalten.

Vorgeschlagen wird ein modellbasierter Lebensdauerbeobachter, mit folgenden Modulen:

– Ermittlung von Systembelastungen:

Zunächst müssen die verschiedenen aus der vorhandenen Systemsensorik, insbesondere einer Fahrzeugsensorik verfügbaren Sensorsignale in einem Schritt der Signalvorverarbeitung analysiert, bewertet und integriert werden. Ziel ist dabei aus den Zeitverläufen der ursprünglichen Sensorsignale entsprechende Zeitverläufe für einen vollständigen und konsistenten Satz von Systembelastungen zu generieren.

Dies umfasst zunächst die Standard-Methoden einer Signalaufbereitung, wie z.B. die Eliminierung unerwünschter Mess- und Störsignale, die Bewertung der Signalgenauigkeit, die Selektion relevanter Zeitfenster oder eine Frequenzanalyse mit Filterung und Glättung. Darüber hinaus müssen in der Regel Signale verschiedener Sensoren untereinander korreliert und gegebenenfalls zum Zeitverlauf einer entsprechenden Systembelastung integriert werden können.

– Modellbasierte Ermittlung von Bauteil-Beanspruchungen:

Die ermittelten Systembelastungen müssen die modellbasierte Ermittlung lokaler bauteil-spezifischer Beanspruchungen ermöglichen. Dies gelingt indem der aus der Systemsensorik, insbesondere aus der Fahrzeugsensorik, extrahierte Satz von Systembelastungen die Stimulation eines bauteil-spezifischen Modells zeitlich konsistent und vollständig beschreibt und damit eine Simulation des Systemverhaltens ermöglicht. Durch zeitliche Integration des Modellverhaltens unter Einwirkung des vollständigen Satzes der zeitabhängigen Systembelastungen werden dann Zeitverläufe lokaler Bauteilbeanspruchungen ermittelt. Diese Bauteilbeanspruchungen können dabei bspw. in Form eines zeitlichen Verlaufs lokaler Reaktionskräfte, Spannungen oder Dehnungen am ausgewählten Bauteil vorliegen.

– Berechnung der Bauteilschädigung:

Die Bewertung der als Folge der erfahrenen Beanspruchungen akkumulierten Bauteilschädigung erfolgt im Umfeld einer Betriebsfestigkeitsanalyse durch Auswertung der Beanspruchungszeitverläufen in einer klassischen Schadensakkumulationsrechnung. Die Zeitverläufe der Beanspruchungen werden zunächst unter gezieltem Informationsverlust in Beanspruchungskollektive komprimiert. In prinzipiell frei wählbaren Auswertungsintervallen können die zwischenzeitlich akkumulierten Beanspruchungskollektive mit Hilfe einer geeigneten Beschreibung der ertragbaren Beanspruchung (z.B. einer Wöhlerlinie des betrachteten Bauteils) und einer Schadenshypothese zu einer im Auswertungsintervall angefallenen Bauteilschädigung bzw. einer Prognose für die verbleibende Restlebensdauer integriert werden.

Daraus ergeben sich hauptsächlich folgende Vorteile:
Durch Einbeziehung des Systemmodells muß nicht mehr jedes Bauteil, dessen Lebensdauer überwacht werden soll, mit einer eigenen Sensorik ausgestattet werden. Dadurch kann der Sensorikaufwand ganz erheblich reduziert werden.

Insbesondere im Fall der Anwendung in einem Fahrzeug liegen die Fahrzeugmodelle heute bereits durchgängig als CAD Modelle vor. Auch sind in Kraftfahrzeugen heutiger Bauart zahlreiche Sensoren zur Steuerung der verschiedensten mechatronischen Komponenten vorhanden. Bei Fahrzeugen mit aktiven Fahrwerken, sind Sensoren zur Ermittlung der Zeitverläufe von Radnabenkräfte vorhanden. Beim Fahrzeug werden in der Regel ein Großteil der Kräfte über die Radnaben in das Gesamtmodell Fahrzeug eingeleitet. Eine weitere Kraftquelle ist der Antrieb des Fahrzeugs. Aber auch hier ist heutzutage eine elektronische Leistungssteuerung des Verbrennungsmotors vorhanden, die über eine eingebaute Sensorik verfügt. Angesprochen sind hier Kurbelwellensensor, Drehmomentsensorik. Diese bereits vorhandene Sensorik ergibt eine vollständige Erfassung der in ein Fahrzeugmodell jeweils punktuell eingeleiteten Kräfte. Durch die Einbeziehung des Fahrzeugsmodells in die Lebensdauerüberwachung kann aus diesem vorhandenen Sensoriksatz auf die Lebensdauer fast aller Bauteile oder Bauteilgruppen im Fahrzeug geschlossen werden. Auch auf die Lebensdauer von solchen Bauteilgruppen, die von der Krafteinleitung relativ weit entfernt liegen. Es bedarf also im Falle eines modernen Fahrzeuges keiner zusätzlichen Sensoren, um eine möglichst vollständige Lebensdauerüberwachung durchzuführen.

Durch Akkumulation der Beanspruchungen in Beanspruchungskollektiven und Bewertung der Beanspruchungskollektive kann eine Restlebensdauerüberwachung eingeführt werden und aus der Restlebensdauer ein Wartungsprofil für das beobachtete System oder das beobachtete Fahrzeug aufgestellt werden.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden ohne Einschränkung der Allgemeinheit anhand von zeichnerischen darstellungen näher erläutert.
Dabei zeigen:
1 Das Funktionsdiagramm eines modellbasierten Lebensdauerbeobachters;
2 Das Funktionsdiagramm einer modellbasierten Beobachtung der verfügbaren Restlebensdauer;
3 Ein Vergleich zweier möglicher Ausführungen eines modellbasierten Lebensdauerbeobachters:
4 Das Funktionsdiagramm einer modellbasierten Beanspruchungsermittlung; 5 Das Funktionsdiagramm einer Integration von Meßdaten und Modellen;
6 Eine Modellbasierte Belastungsermittlung; 7 Ein Gesamtfahrzeugmodell;
8 Eine modulare Übersicht des Gesamtfahrzeugmodells; 9 Ein Hinterachsmodell;
10 Ein mögliche Strukturdarstellung des Hinterachsmodells für die Hinterachse aus 8;
11 Das Ablaufschema einer Schädigungsberechnung;
12 Festigkeitsbereiche anhand einer Wöhlerlinie;
13 Ermittlung der ertragbaren Beanspruchungshöhe;
14 Werkzeugkette und Schnittstellen für die Modellbildung und Schädigungsberechnung;
15 FEM-MBS Schnittstelle in SIMPACK;
16 Eingangsinformation und Funktionalität der Schädigungsberechnung;
17 Vier verschiedene mögliche Ausführungen eines Modellbasierten Lebensdauerbeobachters;
18 Schematische Darstellung einer möglichen Vorgehensweise zur Ermittlung der Restlebensdauer;
19 Eine Schema zur Identifikation von Standardnutzungsfällen;
Beschreibung der Ausführungsbeispiele:
Für eine Berechnung der Restlebensdauer eines ausgewählten Bauteils sind Informationen über lokale Beanspruchungen, also Zeitverläufe lokaler Kräfte, Spannungen oder Dehnungen, erforderlich. Fahrzeuge, die in größerer Stückzahl produziert werden, sind aus Kostengründen nur mit dem minimal für den Betrieb erforderlichen Satz von Sensoren ausgerüstet, so dass Sensoren, die Informationen über die mechanische Beanspruchung einzelner Bauteile im täglichen Betrieb liefern, in der Regel nicht zur Verfügung stehen.
Im Folgenden soll anhand der 1 das Konzept eines modellbasierten Lebensdauerbeobachters für ausgewählte, mechanisch beanspruchte Bauteile eines Fahrzeugs dargestellt werden. Er verknüpft eine Messung der betrieblichen Belastungen mittels verfügbarer Fahrzeugsensorik mit einer modellbasierten Aufbereitung der gemessenen Lasten zu örtlichen Bauteil-Beanspruchungsverläufen und ihrer Bewertung mit Hilfe einer Schadensakkumulationsrechnung.
Aus den Signalen vorhandener Fahrzeugsensoren können direkt oder indirekt die Zeitfunktionen der betrieblichen Belastungen ermittelt werden. Unter Verwendung geeigneter Modelle, z.B. durch Modellierung eines elastischen Mehrkörpersystems können, unter gewissen Einschränkungen, aus den Zeitfunktionen der Sensorsignale lokale betriebliche Bauteilbeanspruchungen extrahiert und mittels geeigneter Klassifizierungsverfahren in Form von Beanspruchungskollektiven dargestellt werden. Eine Schadensakkumulationsrechnung soll unter Verwen dung der Geometrie und den zyklischen Materialeigenschaften des Bauteils (Wöhler-Linie des Bauteils) die Gesamtschädigung des Bauteils unter Einwirkung des jeweiligen Beanspruchungskollektivs akkumulieren und eine verbleibende Restlebensdauer prognostizieren. Ein Datenspeicher erlaubt die Aufzeichnung von Zwischenergebnissen und trennt einen zeit- und speicherbedarf-kritischen hochfrequenten Datenkanal der Signalaufzeichnung von einem niederfrequenten (Offline-)Datenkanal der Auswertung.
Das Ziel der modellbasierten Lebensdauerbeobachtung für ein ausgewähltes Bauteil ist die Ermittlung der über die gesamte Nutzungszeit akkumulierten Schädigung des betrachteten Bauteils bzw. die Prognose für dessen momentan noch zu erwartende Restlebensdauer. Dies erfordert eine Ermittlung und Bewertung der im Betrieb auftretenden lokalen Beanspruchungen des Bauteils im Kontext einer Schädigungsrechnung. (Siehe 2)
Die Vorhersage der Bauteil-Restlebensdauer soll dabei anhand von Informationen, die eine bereits vorhandene Fahrzeugsensorik während der betrieblichen Nutzung zur Verfügung stellt, sowie, unter Verwendung eines geeigneten Modells, durch eine Simulation der zugehörigen Bauteilbeanspruchungen erfolgen. Abschließend werden die ermittelten Bauteilbeanspruchungen auf der Grundlage von Materialeigenschaften und einer Schadenshypothese bewertet.
Ein Lebensdauerbeobachter, der während der Fahrzeugnutzung mit Hilfe eines Modells die bauteilspezifische Schädigung akkumuliert, zerfällt daher funktional in drei Bausteine:
Ermittlung von Systembelastungen: Zunächst müssen die verschiedenen aus der vorhandenen Fahrzeugsensorik verfügbaren Sensorsignale in einem Schritt der Signalvorverarbeitung analysiert, bewertet und integriert werden. Ziel ist dabei aus den Zeitverläufen der ursprünglichen Sensorsignale entspre chende Zeitverläufe für einen vollständigen und konsistenten Satz von Systembelastungen zu generieren.
Dies umfasst zunächst die Standard-Methoden einer Signalaufbereitung, wie z.B. die Eliminierung unerwünschter Störsignale, die Bewertung der Signalgenauigkeit, die Selektion relevanter Zeitfenster oder eine Frequenzanalyse mit Filterung und Glättung. Darüber hinaus müssen in der Regel Signale verschiedener Sensoren untereinander korreliert und gegebenenfalls zum Zeitverlauf einer entsprechenden Systembelastung integriert werden können.
Modellbasierte Ermittlung von Bauteil-Beanspruchungen: Die ermittelten Systembelastungen müssen die modellbasierte Ermittlung lokaler bauteil-spezifischer Beanspruchungen ermöglichen. Dies gelingt nur, wenn der aus der Fahrzeugsensorik extrahierte Satz von Systembelastungen die Stimulation eines bauteil-spezifischen Modells zeitlich konsistent und vollständig beschreibt und damit eine Simulation des Systemverhaltens ermöglicht. Durch zeitliche Integration des Modellverhaltens unter Einwirkung des vollständigen Satzes der zeitabhängigen Systembelastungen werden dann Zeitverläufe lokaler Bauteilbeanspruchungen ermittelt. Diese Bauteilbeanspruchungen können dabei bspw. in Form eines zeitlichen Verlaufs lokaler Reaktionskräfte, Spannungen oder Dehnungen am ausgewählten Bauteil vorliegen.
Der Umfang und die Systemgrenzen des zur Ermittlung der bauteil-spezifischen Beanspruchungen erforderlichen Modells hängen stark von der Aussagekraft der Informationen aus der verfügbaren Fahrzeugsensorik für das betrachtete Bauteil ab. In jedem Fall muss das Modell die Ermittlung von Beanspruchungen ermöglichen, die anschließend eine Bewertung der Schädigung des Bauteils im Rahmen einer Betriebsfestigkeitsrechnung erlauben. Dazu muß das Bauteil im verwendeten Systemmodell mit Hilfe einer geeigneten Verhaltensbeschreibung und unter Verwendung physikalischer und geometrischer Parameter abgebildet werden.
Berechnung der Bauteilschädigung: Die Bewertung der als Folge der erfahrenen Beanspruchungen akkumulierten Bauteilschädigung erfolgt, im Umfeld einer Betriebsfestigkeitsanalyse, durch Auswertung der Beanspruchungszeitverläufe in einer klassischen Schadensakkumulationsrechnung. Die Zeitverläufe der Beanspruchungen werden zunächst unter gezieltem Informationsverlust in Beanspruchungskollektive komprimiert. In prinzipiell frei wählbaren Auswertungsintervallen können die zwischenzeitlich akkumulierten Beanspruchungskollektive mit Hilfe einer geeigneten Beschreibung der ertragbaren Beanspruchung (z.B. einer Wöhlerlinie des betrachteten Bauteils) und einer Schadenshypothese zu einer im Auswertungsintervall angefallenen Bauteilschädigung bzw. einer Prognose für die verbleibende Restlebensdauer integriert werden.
Das direkte Beobachterprinzip sieht vor, den Beobachter, der das Systemverhalten modellbasiert zu simulieren erlaubt, mit derselben Anregung zu stimulieren wie das zu beobachtende System. Durch Vergleich entsprechender System- und Beobachterausgabegrößen kann in einem Steuerungsprozess das Verhalten des Beobachtermodells anhand des realen Systemverhaltens korrigiert werden.
Aufgrund der Beschränkungen, die die im Fahrzeug verfügbare Sensorik der Messung und Verfolgung des Zustands des Gesamtfahrzeugs auferlegt, läßt sich dieses Prinzip für die modellbasierte Lebensdauerbeobachtung zumeist nicht unmittelbar umsetzen. Die Anregung des betrachteten Systems müsste ebenso vollständig mittels der vorhandener Fahrzeugsensorik erfasst werden, wie die zur Steuerung des Beobachters relevanten Systemreaktionen. Dies erfordert eine bauteil-spezifische Erfassung von Zustandsgrössen, die, zumindest in einem Serienfahrzeug, nicht zwangsläufig zur Verfügung stehen.
Es läßt sich die beschränkte Information über den Zustand des Gesamtfahrzeugs aus der Fahrzeugsensorik für die Anwendung der modellbasierten Lebensdauerbeobachtung ergänzen, in dem in das verwendete Modell ein ,Umgebungsmodell' integriert wird. Läßt sich die Anregung des betrachteten Zielsystems nicht direkt messen, kann der Umfang des verwendeten Systemmodells und seine äußeren Schnittstellen an die verfügbaren Informationen aus der Fahrzeugsensorik angepasst werden. Das verwendete Modell enthält dann das eigentliche Beobachtermodell als Teilsystem, ergänzt um das Umgebungsmodell, das aus den verfügbaren Informationen der Fahrzeugsensorik die erforderliche Anregung für das Beobachtermodell generiert. Das Umgebungsmodell dient als Schnittstelle zwischen den Signalen der Fahrzeugsensorik und dem eigentlichen Modell zur Lebensdauerbeobachtung eines ausgewählten Bauteils. (siehe 3)
Im strengen Sinn könnte es als Teil der Signalvorverarbeitung betrachtet werden, soll aber hier, da es Teil des vollständigen Simulationsmodells ist, als zur modellbasierten Beanspruchungsermittlung gehörend betrachtet werden.
Umfang des benötigten Systemmodells
Der Umfang des zur modellbasierten Lebensdauerbeobachtung benötigten Umgebungsmodells hängt stark von der Aussagekraft der verfügbaren Fahrzeugsensorik für das betrachtete Bauteil ab.
Liegen die für die modellbasierte Lebensdauerbeobachtung eines Bauteil benötigten Informationen unmittelbar vor, wird bei geeigneter Vorverarbeitung und Integration der Sensorsignale kein eigentliches Umgebungsmodell benötigt. Je mittelbarer aber die Fahrzeugsensorik Informationen über den Zustand und das Verhalten des ausgewählten Bauteils liefert, umso umfangreicher muß das Systemmodell werden, dessen Simulation der modellbasierten Lebensdauerbeobachtung dieses Bauteils dient. Die äußere Schnittstelle des benötigten Modells wird dabei durch die verfügbare Fahrzeugsensorik festgelegt.
In der modellbasierten Lebensdauerbeobachtung werden mit Hilfe eines physikalischen Modells aus einem gegebenen Satz von Signal-Zeitverläufen der Fahrzeugsensorik Zeitverläufe lokaler Beanspruchungen eines ausgewählten Bauteils generiert. In diesem physikalischen Modell werden zwischen den Teilsystemen, aus denen sich das Modell zusammensetzt, Wechselwirkungen definiert, die i.A. von den Zuständen der verbundenen Teilsysteme abhängen. In einem mechanischen System können dies zustandsabhängige Kräfte oder die Dynamik der Teilsysteme beschränkende Zwangsbedingungen sein. Der Ist-Zustand der Teilsysteme bestimmt die Wechselwirkung und damit die weitere zeitliche Entwicklung der verknüpften Teilsysteme. Diese physikalische Struktur der Wechselwirkungen kann einerseits den notwendigen Umfang des Systemmodells zur Ermittlung der Beanspruchungen eines Bauteils beschränken, andererseits ergeben sich daraus Mindestanforderungen an die benötigten Eingangssignale.
Vollständigkeitsbedingung: Ausgehend vom betrachteten Bauteil müssen alle Wechselwirkungsketten bis zu einer Modellanregung rückverfolgbar sein, die als Systembelastungen aus der Fahrzeugsensorik definiert ist. Die aus der Fahrzeugsensorik ermittelbaren Systembelastungen legen als Modellanregungen den Umfang des benötigten Modells fest. Ein minimal erforderlicher Satz von Systembelastungen ergibt sich aus der Bedingung, im Modell die Wechselwirkungsketten zum Bauteil mit entsprechenden Modellanregungen vollständig abdecken zu können. Dies sollen die verschiedenen Pfeile im dargestellten Modell für verschiedene Sätze gemessener Systembelastungen illustrieren. Bereiche des Systems, die auf das Bauteil rückwirkungsfrei sind, brauchen nicht im Modell enthalten zu sein.
Kausalitätsbedingung: Prinzipiell wäre es denkbar durch Auswertung eines zusätzlichen Sensors in einer bereits durch entsprechende Systembelastungen vollständig festgelegten Wir kungskette auf eine Wirkungskette zurückzuschließen, die nicht durch eine zugehörige gemessene Systembelastung festgelegt wird. Ein Beispiel hierfür wäre der Rückschluss aus den im Fahrzeug gemessenen Sensorsignalen auf die Parameter einer sonst unbekannten Fahrstrecke. Dies erfordert allerdings eine Umkehrung des Ursache-Wirkungszusammenhangs innerhalb des Modells. Eine solche inverse Modellanwendung, die die erforderlichen Wechselwirkungen ermittelt, die zu einem bestimmten Endzustand des Systems führen, verfolgt eine Wechselwirkungskette zeitlich rückwärts gerichtet und führt daher in der Regel auf Verletzungen der Kausalität. Zusätzliche Messignale in einer bereits vollständig bestimmten Wirkungskette können deshalb nicht dazu benutzt werden, um das Fehlen von Messignale in einer anderen Wirkungskette zu kompensieren.
Modellbasierte Beanspruchungsermittlung nach 4
MBS-Werkzeuge und virtuelles Prototyping
Die modellbasierte Beanspruchungsermittlung als Baustein eines Lebensdauerbeobachters erfolgt mit einem Systemmodell auf Grundlage der Vielkörperdynamik. Komplexe Vielkörpersysteme (MBS), die auch elektrische, hydraulische oder pneumatische Elemente enthalten können, werden mit Hilfe entsprechender Werkzeuge modelliert, simuliert und analysiert.
Dies wird in drei sequentiellen Schritten durchgeführt:
Preprocessing: In einem MBS-Modell wird die mechanische Struktur des zu modellierenden Systems in Körper und ihre Verbindungen abgebildet, die signifikant zum dynamischen Verhalten des Systems beitragen. Zwangsbedingungen an den Verbindungspunkten und Kräfte zwischen den Körpern definieren die Beweglichkeit der einzelnen Elemente. Die Beschreibung des mechanischen Systems wird ergänzt durch Parameter, die die Eigenschaften der Körper, der Kopplungselemente und die räumliche Lage der Kopplungspunkte beschreiben, durch Hinterlegung drei-dimensionaler Geometrien für die grafische Dar stellung und durch Definition aller verwendeter Eingabefunktionen.
Calculation: Das verwendete MBS-Werkzeug unterstützt nicht nur die Modellgenerierung, sondern erzeugt auch einen das Systemverhalten beschreibenden Satz von Differentialgleichungen, die unter Selektion verschiedener Analyse-Optionen mittels optimierter numerischer Verfahren gelöst werden können. Dazu zählen Verfahren zur Zeitintegration des Systems, zur Auffindung eines statischen Gleichgewichts, zur Frequenzanalyse, zur Untersuchung von Parameterabhängigkeiten und zum Export generierten Codes.
Postprocessing: Im Analyseschritt können die numerischen Ergebnisse dargestellt (2D-Plots, 3D-Animation...), analysiert (Datenfilter, Extremwerte, FFT...) oder aus dem Werkzeug exportiert werden.
Der Einsatz der Werkzeuge zur Simulation mechanischer Systeme wird wesentlich erweitert durch Einbindung dieser Technik in einen durchgängigen, modellgestützten Entwicklungsprozess, in dem die verschiedenen Bereiche der Systementwicklung integriert sind.
Durch anwendungs-spezifische Toolboxen (bspw. aus den Anwendungsgebieten Automotive, Schienenfahrzeuge und Robotik) kann mittels vordefinierter Module und Teilmodelle vorhandenes Wissen wiederverwendet und der Aufbau eines Modells drastisch beschleunigt werden. Durch Unterstützung von Schnittstellen zwischen Entwicklungswerkzeugen aus verschiedenen Teilgebieten können die Entwickler, durch Aufbau und Anwendung konsistenter und durchgängiger Modelle als virtuelle Protypen, die verschiedenen Entwicklungsschritte in einer jeweils optimalen Umgebung durchführen. Je nach den gestellten Anforderungen, reichen die Schnittstellen von einem einfachen oder bidirektionalen Datentransfer auf der Basis von Dateien, bis hin zu einer interaktiven Kopplung zweier unabhängiger Simulationswerkzeuge (Co-Simulation):
Mittels entsprechender Schnittstellen können so MBS-Werkzeuge bi-direktional mit einem CAD-System Daten austauschen oder sogar direkt in eine vorhandene CAD-Entwicklungsumgebung integriert werden, um Design- und Konstruktionsmerkmale (Kinematische Modelle, Bauteilgeometrien, Massenparameter) eines Bauteils zu übertragen und unmittelbar anhand einer vielkörperdynamischen Simulation bewerten zu können.
Von besonderer Bedeutung für den modellbasierten Lebensdauerbeobachter ist die Möglichkeit, das Modell eines Bauteils aus einer Finite-Elemente-Analyse mittels einer Schnittstelle in die Modellierung des mechanischen Verhaltens des Gesamtsystems integrieren zu können. Dabei werden Informationen über die strukturelle Elastizität von Bauteilen aus einer FE-Analyse in das MBS-Modell transferiert, so dass die nichtlineare Dynamik eines beliebig geformten Körpers in einem Systems auch dann simuliert werden kann, wenn für große Auslenkungen strukturelle Elastizitäten von Bedeutung sind. Entsprechend können ermittelte Reaktionskräfte als Lasten und Randbedingungen in der Finite-Element-Analyse benutzt werden.
Im Sinne eines durchgängigen virtuellen Prototyping können mechanische und regelungstechnische (CACE-)Systeme in einer gemeinsamen Umgebung integriert und simuliert werden. Dies kann auf verschiedene Weisen erfolgen, so durch Austausch von linearen Systemmatrizen (A, B, C, D), durch Export der Bewegungsgleichungen oder von symbolischem Code des mechanischen Systemsmodells in die Werkzeugumgebung der Regelungstechnik oder durch eine Co-Simulation der mechanischen und regelungstechnischen Teilsysteme bei interaktivem Austausch von Daten.
Durch Generierung von Code und durch Unterstützung spezieller Ein- und Ausgabeformate können die Ergebnisse eines virtuellen Prototyping oder einer mechanischen Simulation auch in einem anderem Umfeld benutzt werden, wie bspw. zur Unterstützung von Hard- und Softwaretestumgebungen oder um Aspekte der Betriebsfestigkeit schon im Design eines Produkts berücksichtigen zu können.
4 zeigt einen Überblick der für den Baustein der modellbasierte Beanspruchungsermittlung des Online-Lebensdauerbeobachters erforderlichen Werkzeuge. Kern der modellbasierten Beanspruchungsermittlung ist ein mechanisches Vielkörperdynamikmodell des betrachteten Systems. Die geometrischen Repräsentationen und Massenparameter einzelner Körper, sowie die auf den Körpern definierte Markerpunkte oder eine vorgegebene 3D-Kinematik können dabei direkt aus CAD-Datenbanken extrahiert sein. Das Bauteil, für das eine Lebensdauerbeobachtung durchzuführen ist, muss als elastischer Körper im Systemmodell vorhanden sein. Die Definition eines elastischen Körpers wird dazu mittels eines Schnittstellenwerkzeugs aus einem Finite-Elemente-Modell des jeweiligen Bauteils extrahiert. Die in einer Simulation ermittelten Reaktionskräfte wiederum können als Lastbedingungen für eine detaillierte Strukturanalyse in der FE-Applikation dienen, aus der sich dann als bauteil-spezifische Beanspruchungen die Zeitverläufe lokaler Spannungen bzw. Dehnungen ergeben.
Integration von Messdaten und Simulationsmodellen anhand von 5:
Das Gesamtmodell zur modellbasierten Ermittlung der Bauteilbeanspruchungen muß an seinen Schnittstellen zur Umgebung durch entsprechende Modellanregungen stimuliert werden. In 5 ist über die verschiedenen Hierarchiebenen des Gesamtfahrzeugs hinweg der rein modellbasierten Vorgehensweise eine messtechnische Vorgehensweise gegenübergestellt. 5 soll die verschiedenen Möglichkeiten illustrieren, wie eine modellbasierte Simulation mit den auf verschiedenen Systemebenen gewonnenen messtechnischen Informationen in Beziehung gesetzt werden kann.
Die dargestellten Systemebenen entsprechen:

– dem Gesamtfahrzeug, das im realen Umfeld angeregt wird (Straßen- und Trassierungsverhältnisse, Fahrerinteraktion) und, entsprechend der verfügbaren Fahrzeugsensorik, entweder die Anregung des Gesamtfahrzeugs selbst oder Systembelastungen in Form von fahrzeug-internen Kräften und Momenten detektiert,
– einem Fahrzeug im Prüfstand, an dem entweder Systembelastungen in Form von fahrzeug-internen Kräften und Momenten oder auch, durch zusätzliche Sensorik, Bauteilbeanspruchungen direkt sensiert werden können,
– dem betrachteten Bauteil in einer Prüfumgebung, für das die entsprechenden Bauteilbeanspruchungen direkt sensiert und zudem die ertagbaren Beanspruchen (in Form von Wöhler- oder Lebensdauerlinien) bestimmt werden können,
– den Materialeigenschaften des betrachteten Bauteils (z.B. in Form von synthetischen Wöhlerlinien eines Probestabs).

Der für die Online-Lebensdauerbeobachtung vorgesehene Informationsfluss ist mit Pfeilen markiert. Das Systemmodell zur Ermittlung lokaler Beanspruchungen muß durch Systembelastungen, im laufenden Betrieb am realen Fahrzeug gemessen, stimuliert werden. Die Bewertung der ermittelten Beanspruchungen in einer Schädigungsberechnung erfordert zusätzliche Bauteilspezifische Informationen über die für das betrachtete Bauteil ertragbaren Beanspruchungen, die in der Regel in Form einer parametrisierten Wöhlerlinie vorliegen. Die anderen dargestellten Möglichkeiten eines Informationsflusses sind natürlich für die prototypische Umsetzung und die Verifikation eines Online-Lebensdauerbeobachters ebenfalls von großer Bedeutung.
Modellbasierte Belastungsermittlung und mögliche Teilmodelle für eine Lebensdauerbeobachtung anhand der 6:
Zum Zeitpunkt des Entwurfs eines Moduls zur Lebensdauerbeobachung eines ausgewählten Bauteils können detaillierten Informationen über im Fahrzeug verfügbare Sensoren und die Qualität ihrer Signale nicht verfügbar sein. Insbesondere werden in der Regel keine Messdaten zur Verfügung stehen, sei es von Serienfahrzeugen im täglichen Betrieb oder auch von Messfahrzeugen auf speziellen Teststrecken.
Andererseits muss aber auch in Betracht gezogen werden, dass Fahrzeuge in der Zukunft mit einer Vielzahl intelligenter mechatronischer Komponenten ausgestattet sein werden, in denen Technologien der Mechanik, Elektrik/Elektronik, Regelungs- und Informationstechnik integriert sind, um die Zuverlässigkeit, Verfügbarkeit, Instandhaltbarkeit und Sicherheit des Fahrzeugs im Betrieb zu erhöhen. Dies schließt eine drastische Erweiterung der Sensorik zur Überwachung der Fahrzeugzustände ein.
Um die Bandbreite der in einem Fahrzeug verfügbaren Zustandsinformation flexibel berücksichtigen zu können, wird deshalb für einen Modul zur Lebensdauerbeobachtung beispielhaft eine modellbasierten Belastungsermittlung vorgeschlagen, wie sie in 6 skizziert ist.
Die direkte Vorgehensweise wäre eine Ermittlung von Belastungen, die zum Betreiben des Modells zur Lebensdauerbeobachtung notwendig sind, aus am Bauteil gemessenen Sensordaten. Sie ist deshalb nur möglich, wenn zum Zeitpunkt des Entwurfs des Lebensdauerbeobachters für das betrachtete Fahrzeug die Verfügbarkeit der entsprechenden Sensorik sichergestellt ist und gemessene Daten vorliegen.
Eine Belastungsermittlung auf der Basis eines Modelles für das Gesamtfahrzeug, erlaubt es mit Hilfe einer Simulationsrechung für das Fahrzeug eine Vielzahl verschiedener Sensorsignale und damit variable Sätze von Zustands- und Belastungsinformationen zu generieren. Damit können für das ausgewählte Bauteil unterschiedlich komplexe Modelle zur modellbasierten Beanspruchungsermittlung untersucht werden.
Soll mit Hilfe der aus einem Gesamtfahrzeugmodell erzeugten Belastungen nachfolgend eine Ermittlung von Beanspruchungen zur Lebensdauerbeobachtung eines Bauteils durchgeführt werden, müssen folgende Voraussetzungen erfüllt sein:

– Verwendung typischer und repräsentativer Anregungen für das Gesamtfahrzeugmodell, die den erforderlichen Amplituden- und Frequenzbereich abdecken und die realen betrieblichen Verhältnisse widerspiegeln.

Verwendet man als Anregungen für das Fahrzeugmodell typische Streckentrassierungen und Fahrbahnbeschreibungen ist diese Anforderung umsetzbar, benötigt man aber bspw. den Verlauf typischer Radnabenkräfte als Fahrzeuganregung, um eine detaillierte Modellierung des Reifen-Fahrbahnkontaks und der Reifendynamik zu umgehen, ist man auf typen-spezifische Messdaten angewiesen, da diese Kräfte auch die Reaktionen des Fahrzeugs auf die Anregung einbeziehen.

– Verwendung eines verifizierten Gesamtfahrzeugmodells. Dazu muss gezeigt werden, dass die mit Hilfe der Modellsimulation ermittelten Belastungen, über die Bandbreite der verwendeten Anregungen hinweg, gemessene Sensorsignale reproduzieren können.

In der Regel sind verfügbare Gesamtfahrzeugmodelle für spezifische Anwendungen konzipiert und nur für diese speziellen Anwendungsfälle verifiziert. Der Einsatz solcher Modelle im Kontext der Lebensdauerbeobachtung erfordert dann eine umfangreiche Verifikation unter den hierfür gewählten typischen Anregungsmustern, die die gesamte Breite einer betrieblichen Nutzung abdecken.
Sind diese Voraussetzungen erfüllt, lassen sich die Auswirkungen verschiedener Sätze von verfügbaren Sensorinformationen für das Lebensdauerbeobachtermodul flexibel untersuchen. Im Extremfall könnte bspw. die Anregung des Gesamtfahrzeugmodells der sensierten Belastungsinformation für das zu beobachtende Bauteil direkt entsprechen. Im anderen Extremfall liefert das Gesamtfahrzeugmodell direkt die Beanspruchungen des zu beobachtenden Bauteils.
Werden mit Hilfe eines Gesamtfahrzeugmodells sowohl die Belastungen als auch die Beanspruchungen modellbasiert generiert, ist das Lebensdauerbeobachtermodell eines Bauteils integraler Bestandteil des Gesamtmodells zur Systembeschreibung im Sinne der elastischen Mehrkörperdynamik. Die zur Lebensdauerbeobachtung eines Bauteils zu ermittelnden Belastungen stellen dann modell-interne Schnittstellen zwischen einem ,Umgebungsmodell' und dem eigentlichen Systemmodell dar.
Simulationsmodell für ein Gesamtfahrzeug nach 7:
Randbedingungen
Im Rahmen eines modellbasierten Online Lebensdauerbeobachters soll und kann kein spezifisches Fahrzeugmodell entwickelt und aufgebaut werden. Vielmehr sollen die CAD-Modelle verfügbarer Modelle aus den Design- und Entwicklungphasen eines existierenden Fahrzeugs eingesetzt werden.
Das verfügbare CAD-Modell des Fahrzeugs ist als Gesamtfahrzeugmodell vollständig und enthält sowohl Körper, die als e lastische Körper aus NASTRAN-Modellen (FE-Modellierung) extrahiert wurden, als auch Körper, deren geometrische Repäsentationen aus CAD-Datenbanken übernommen wurden. Seine Analyse und Anwendung erfordert daher insbesondere werkzeugspezifische Kenntnisse über das Werkzeug SIMPACK zur MBS-Modellierung eines mechanischen Systems und seiner Schnittstellen zu FE- und CAD-Softwarepaketen.
Das CAD-Modell enthält allerdings weder ein explizites Modell für die Fahrzeugreifen, noch sind in der verfügbaren Datenbank spezifischen Fahrzeuganregungen definiert oder vorhanden, sei es in Form der Definion einer Fahrstrecke mit entsprechender Trassierung und Fahrzeuganbindung oder in Form anderer zeitabhängiger Anregungsfunktionen.
Im Folgenden soll das Gesamtmodell des Fahrzeugs in seiner Grobstruktur dargestellt werden, um die Möglichkeiten einer Anwendung dieses Modells in der Entwicklung eines modellbasierten Lebensdauerbeobachters für den Hinterachsfahrschemel des Fahrzeugs aufzuzeigen.
7 zeigt eine Darstellung eines Fahrzeugmodells, gewonnen als vereinfachter Screenshot aus der entsprechenden SIMPACK-Modelldatenbank. Einen einfacheren Überblick über das Modell des Fahrzeugs gibt 8, in der die Grobstruktur der Einzel-Bestandteile, also der verwendeten Körper und Substrukturen, sowie ihre wechselseitigen Kopplungen dargestellt sind. In 8 wurde der Bezeichnung von Substrukturen, also modularen Teilmodellen, die sich selbst wiederum aus mehreren Körpern und deren Kopplungen zusammensetzen, ein Stern beigefügt.
Das in diesen Abbildungen dargestellte Modell wurde ursprünglich entwickelt und eingesetzt, um anhand von Simulationsrechungen vornehmlich die Vertikaldynamik des Fahrzeugs detailliert zu untersuchen. Zentraler Körper des Modells ist der Fahrzeugaufbau, der direkt mit dem Inertialsystem (in SIMPACK mit Isys bezeichnet) verbunden ist und darüber hinaus mit der Vorder- und Hinterachse des Fahrzeugs, den Substrukturen Motor und Integralträger sowie den in einfacher Weise abgebildeten (6 möglichen) Fahrzeuginsasssen verknüpft ist. Sowohl die Vorder- als auch die Hinterachse bestehen aus jeweils zwei Substrukturen (VA_LI, VA_RE und HA_LI, HA_RE), die jeweils u.a. einen Radträger, ein Rad, einen Lenker und einen Dämpfer beinhalten und über zwei weitere Strukturelemente (Stabilisator und Lenkstange an der Vorderachse, Stabilisator und Hinterachsfahrschemel an der Hinterachse) miteinander verbunden sind. Die Räder des Fahrzeugs stehen durch die Wirkung einer Feder-Dämpferkraft (bei entsprechender Federvorspannung) auf vier Zylindern, die selbst wiederum im Inertialsystem fixiert sind (s. 7 und 8).
Das Modell enthält insgesamt 3 elastische Körper, den Hinterachsfahrschemel (Körper HAFS_el in der Substruktur HRFS) und die Hinterachslenker (Körper lenker_el in den Substrukturen HA_LI und HA_RE). Die Teil-Modelle für diese Körper wurden aus entsprechenden FE-Modellierungen (in NASTRAN) mit Hilfe der FEMBS-Schnittstelle extrahiert und werden über Dateischnittstellen in das Fahrzeug-Modell importiert. Entsprechend werden 5 geometrische Teil-Repräsentationen für den Fahrzeugaufbau (Primitive FZG_Haut für den Körper FZG), den Hinterachsfahrschemel (Primitive HAFS_el_Cubid für den Körper HAFS_el), den Integralträger (Primitive Integraltraeger_geo für den Körper Integraltraeger) und die Lenker der Hinterachse (Primitive lenker_el_CAD der Körper lenker_el, jeweils für die rechte und linke Hinterachse) über ein Interface aus entsprechenden CAD-Daten generiert.
Die in 8 dargestellten Verbindungen beschränken (zusammen mit den nicht dargestellten Verbindungen in den Substrukturen) die Anzahl der Freiheitsgrade der einzelnen Körper, so dass das gesamte Modell insgesamt 79 Freiheitsgrade umfasst: 62 dynamische Freiheitsgrade für die verschiedenen starren Körper, 9 elastische Freiheitsgrade für die elastischen Körper und 8 Freiheitsgrade, die interne Zustände zur zustandsabhängigen Berechung dynamischer Kraftelemente beschreiben. Das MBS-Werkzeug SIMPACK generiert einen Satz gekoppelter Bewegungsgleichungen für diese Freiheitsgrade. In einer numerischen Integrationsrechung kann das Zeitverhalten des zugehörigen Zustandsvektors unter einer gegebenen Modellanregung simuliert werden. Im Postprocessing wird das Zeitverhalten des Zustandsvektors in physikalisch interpretierbare System- und im Modell definierte Sensorvariablen transformiert, die numerisch, grafisch und in einer 3D-Animation des Modells analysiert werden können. Mit Hilfe der LOADS-Schnittstelle können darüber hinaus für jeden der definierten elastischen Körper Zeitverläufe für generalisierte Reaktionskräfte und Momente an den aus dem entsprechenden FE-Modell übernommenen Markern in eine formatierte Ausgabedatei exportiert werden, um sie direkt in der FE-Modellierung wieder zu verwenden.
Anregung des Modells über beliebige Zeitverläufe von Radnabenkräften
Da im originalen Gesamtfahrzeugmodell keine Anregungen enthalten waren, wurden 4 neue, das Modell anregende Kräfte definiert (F_ANREG_HL, F_ANREG_HR, F_ANREG_VL, F_ANREG_VR). Sie greifen vom Inertialsystem aus an den Mitten der einzelnen Räder an, wirken also als Kraftanregung auf die Radnaben. Sie werden als Typ 93 der SIMPACK-Kraftelemente (Force/Torque by u(t)) durch Anregungsfunktionen u_i(t) mit der Zuordnung aus Tabelle 1 definiert:
Tabelle 1 Zuordnung der Funktionen u_i(t) zu den Radnabenkräften
Über Zeitanregungsfunktionen (T_Anreg_HL_inx, ..., T_Anreg_HL_iny, ..., T_Anreg_HL_inz, ...) vom SIMPACK-Typ 02 (Input-Fct) werden den Anregungsfunktionen u_i(t) wiederum Funktionswerte zugeordnet, die sich durch Einlesen einer Sequenz von Wertepaaren (tk, u_i(tk)) ergeben. Dabei können Funktionswerte für Zeitpunkte, die nicht explizit in den eingelesenen Wertepaaren definiert sind, auf verschiedene Weise aus den zeitlich benachbarten Werten interpoliert werden. Zudem kann eine zusätzliche Skalierung und Zeitverzögerung sowie ein zeitlicher Adaptionsbereich für die eingelesenen Anregungsfunktionen u_i(t) definiert werden.
Die Input-Funktion mit der Sequenz von Wertepaaren (t_k, u_i(t_k)) selbst muß dabei in geeigneter Form an einer spezifischen Stelle in der Modelldatenbank zur Verfügung gestellt werden. In einfachen Fällen kann diese Input-Funktion manuell generiert werden (bspw. eine Treppenfunktion). Zu dem wurde eine einfache MATLAB-Routine erstellt, die komplexere Input-Funktionen in der erforderlichen Form generieren kann (z.B. durch Überlagerung von Sinus-Funktionen gegebener Frequenzen und Amplituden mit Random-Phasen an ausgewählten Stützstellen der Zeit).
Diese Vorgehensweise ermöglicht es, praktisch ohne Einschränkungen, durch Kopieren entsprechender Input-Funktionen Simulationsläufe unter verschiedenen Anregungsmustern durchzuführen, ohne jeweils im Modell selbst grundlegende Änderungen vornehmen zu müssen.
Verschiedene beispielhafte Simulationsläufe für das Modell unter Einwirkung zeitabhängiger Radnabenkräfte wurden durchgeführt, ihre Ergebnisse sollen aber hier nicht im Detail vorgestellt werden.
Modellierung der Hinterachse
9 zeigt vergrößert und in verschiedenen Perspektiven eine 3D-Darstellung der Hinterachse des SIMPACK-Modells.
Der Hinterachsfahrschemel (HAFS) ist als elastischer Körper modelliert, der mit Hilfe der FEMBS-Schnittstelle direkt aus einer FE-Modellierung in NASTRAN extrahiert wurde. Dabei werden 5 Eigenmoden mit Frequenzen zwischen 100 Hz und 300 Hz übernommen, so dass jeweils 5 Anfangswerte für die Vorspannkräfte, die elastischen Koordinaten und zugehörige Geschwindigkeiten für das reduzierte Teilmodell des HAFS im MBS-System zu definieren sind. Zudem werden 22 relevante, über die gesamte Geometrie verteilte Knoten des FE-Modells als Marker für den entsprechenden HAFS-Körper im MBS-System übernommen.
Entsprechend ist das Teilmodell der Lenker für die rechte und linke Hinterachse jeweils als elastischer Körper modelliert, der mit FEMBS aus einer FE-Modellierung in NRSTRAN extrahiert wurde. Dabei wurden 2 Eigenmoden mit Frequenzen zwischen 150 Hz und 350 Hz übernommen. Zudem werden jeweils 20 relevante, über die gesamte Geometrie verteilte Knoten des FE-Modells als Marker für die entsprechenden Lenker-Körper im MBS-System übernommen.
Deutlich zu sehen sind in 9 noch der Stabilisator, der vergleichbar dem HAFS, die beiden Hinterachs-Substrukturen verknüpft, sowie die beiden Feder-Dämpfersysteme zwischen dem HAFS und den Lenkern.
10 zeigt eine der 8 vergleichbare Strukturdarstellung, in der nur die Hinterachse des Modells dargestellt ist, nun aber die beteiligten Substrukturen in ihre Einzelkörper aufgelöst sind, Verbindungen sind wieder als schwarze Linien, Kräfte als rote Pfeile eingetragen.
Die Schnittstelle der Hinterachse zu ihrer Umgebung ergibt sich einerseits aus der Verbindung des HAFS an den Fahrzeugaufbau, andererseits sind die Räder über eine Feder-Dämpfer-Kraft an die Zylinderstempel und über die anregenden Radnabenkräfte an das Inertialsystem gebunden.
Teilmodelle für eine Lebensdauerbeobachtung
Um die Bandbreite der im Fahrzeug verfügbaren Zustandsinformation flexibel berücksichtigen zu können, wird deshalb für die prototypischen Umsetzung des Moduls zur Lebensdauerbeobachtung des HAFS eine modellbasierte Belastungsermittlung notwendig, wie sie in 6 skizziert wurde. Mit Hilfe der aus einer Gesamtfahrzeugsimulation erzeugten Belastungs-Zeitverläufe sollen, ebenfalls modellbasiert, Zeitverläufe der Beanspruchungen zur Lebensdauerbeobachtung des Hinterachsfahrschemels HAFS ermittelt werden. So lassen sich die Auswirkungen verschiedener Sätze von verfügbaren Sensorinformationen für das Lebensdauerbeobachtermodul flexibel untersuchen.
Da dann sowohl die Belastungen als auch die Beanspruchungen modellbasiert generiert werden, ist das Modell zur Lebensdauerbeobachtung des HAFS integraler Bestandteil des verwendeten Gesamtfahrzeugmodells der elastischen Mehrkörperdynamik. Die zur Lebensdauerbeobachtung des HAFS zu ermittelnden Belastungen stellen dann modell-interne Schnittstellen zwischen einem ,Umgebungsmodell' und dem eigentlichen Systemmodell dar. Betrachtet man das Fahrzeug, sind verschiedene realistische Möglichkeiten für die verfügbaren Belastungsinformationen denkbar. Dies entspricht verschiedenen Schnittstellen zwi schen dem Gesamtfahrzeugmodell zur Generierung der Belastungsinformation (Sensorsignale) und dem darin enthaltenen Modell zur Lebensdauerbeobachtung des HAFS. In 10 sind als strichpunktierte Bereiche zwei verschiedene Teilmodelle gekennzeichnet, die jeweils einem unterschiedlichen Satz sensierter Belastungen entsprechen.
Schädigungsberechnung
Die Auswertung der modellbasiert ermittelten bauteilspezifischen Zeitverläufe der Beanspruchungen zur einer Aussage über die akkumulierte Bauteilschädigung bzw. einer Prognose der verbleibenden Restlebensdauer des Bauteils erfolgt in klassischer Art und Weise mit Hilfe einer Schädigungsrechnung auf der Grundlage der Betriebsfestigkeitsrechnung (11).
Die Zielsetzungen, Grundlagen und Vorgehensweisen einer Betriebsfestigkeitsanalyse wurden in der wissenschaftlichen Literatur mehrfach dargestellt und sollen hier nur zusammenfassend betrachtet werden.
Eine Berechnung der Bauteilschädigung beruht auf 3 sequentiell durchzuführenden Teilschritten:
Akkumulation der Beanspruchungen in Beanspruchungskollektive
Eine Betriebsfestigkeits- oder Lebensdauerrechnung eines schwingbeanspruchten Bauteils muß auf einer für das Werkstoffverhalten aussagefähigen Beschreibung aller im Betrieb auftretenden Schwingbeanspruchungen basieren. In der Regel erhält man diese Beschreibungsformen durch Analyse und Aufbereitung der ermittelten Zeitverläufe der Beanspruchungen. Sie werden dazu in Einzelschwingspiele klassiert und dann in Form von Beanspruchungskollektiven komprimiert. Dabei werden gezielt Informationen eliminiert, die für eine Lebensdauerrechnung nicht weiter benötigt werden.
Aus dem Zeitverlauf einer Beanspruchung wird zunächst die Sequenz der oberen und unteren Umkehrpunkte extrahiert, wobei auf Informationen zur Form der Schwingungsamplitude und zur Frequenz der Schwingungen verzichtet wird. Mit einem Amplitudensieb als Datenfilter werden zudem unerwünscht kleine oder große Amplituden eliminiert (Omission, Truncation). Durch Verzicht auf Informationen über die zeitliche Reihenfolge (Sequenz) der Umkehrpunkte wird durch statistische Klassier- und Zählverfahren eine drastische Reduktion des Datenvolumens erreicht. Eine für die Lebensdauerrechnung geeignete Beschreibung eines maßgeblichen Beanspruchungsablaufs enthält nur noch die Häufigkeit eines Schwingspiels gegebener Amplitude und Mittelwerts, entspricht also einem zweiparametrischen Beanspruchungskollektiv. Jeder Umkehrpunkt des Beanspruchungsablaufs wird in ein Beanspruchungskollektiv akkumuliert und erhöht die Häufigkeit eines Schwingspiels aus einem vordefinierten Raster möglicher Amplituden und Mittelwerte. Die Auflösung der Raster bestimmt den Aufwand zur Speicherung des Kollektivs, der somit mehr nicht von der Akkumulationszeit abhängt. Dabei sind verschiedene statistische Zählverfahren gebräuchlich (Ein-parametrische wie das Klassendurchgangs- und das Spannenpaarverfahren, Zwei-Parametrische wie die Von Bis-Zählung oder die Rainflow-Zählung.
Die Akkumulation von Beanspruchungszeitverläufen in Kollektive liefert über einen definierten Auswertealgorithmus eine komprimierte Beschreibung des Beanspruchungsablaufs in Form mehr-parametrischer Häufigkeitsverteilungen für die Amplituden und Mittelwerte der in den Beanspruchungen auftretenden Schwingspiele.
Parametrisierung der ertragbaren Beanspruchungen
Ein Wöhlerversuch ermittelt die bis zum Schwingbruch bzw. zum Schwinganriß ertragbare Schwingspielzahl N für eine Schwingbeanspruchung beliebiger Amplitudenform, aber vorgegebener Amplitude s_a und festem Mittelwert s_m. Die Wöhlerlinie ergibt sich aus einer statistischen Auswertung aller bei Schwingbruch (Schwinganriß) gemessener Schwingspielzahlen N als Funktion der Parameter s_a und s_m (s. 12 ) und trennt die verschiedenen Festigkeitsbereiche (Kurzzeit-, Zeit- und Dauerfestigkeit) voneinander.
Für vorgegebene Ausfallwahrscheinlichkeit P_Ü und Amplitudenmittelwert s_m wird der Bereich der Zeitfestigkeit durch eine Kurve N (s_A) begrenzt, deren Form näherungsweise durch N = NA (sa/sA)–k gegeben ist. Dies entspricht in einer doppelt-logarithmischen Darstellung einer Geraden mit der Steigung –k. Der Punkt (N_A, s_A) markiert dabei die untere Grenze des Gültigkeitsbereichs der Geradennäherung (s. 12). Im Bereich der Zeitfestigkeit ist die durch Schwingbruch limitierte Lebensdauer eines Bauteils deshalb durch die Parameter N_A, S_A und k der Wöhlerlinie bestimmt. Sie hängen neben der Abhängigkeit von der Mittelspannung s_m maßgeblich von der Beanspruchungsart (Axial-, Biegungs-, Torsionsbeanspruchung), der Zugfestigkeit und Oberflächenbehandlung des Materials, den Umgebungsbedingungen (Temperatur und Korrosion) ab. Die Abhängigkeit von der Bauteilgröße und -geometrie ist besonders komplex und erfordert spezielle Berücksichtigung.
Bewertung der Beanspruchungskollektive
Eines der Verfahren zur Berechnung der Lebensdauer eines Bauteils unter einer Schwingbeanspruchung mit veränderlicher Amplitude wird als lineare Schadensakkumulationshypothese nach Palmgren und Miner oder kurz Miner-Regel bezeichnet. Es verknüpft die Beschreibung der einwirkenden Beanspruchung (in Form der Beanspruchungskollektive) mit der ertragbaren Beanspruchung (in Form der Bauteil-Wöhlerlinie) (siehe 12) zu einer Aussage über die akkumulierte Gesamtschädigung bzw. der verbleibenden Restlebensdauer. Grundgedanke der linearen Schadensakkumulation ist es, dass jedes Schwingspiel der Beanspruchung im Werkstoff des Bauteils eine Teilschädigung bewirkt, die unabhängig von der bereits durch vorherige Schwingspiele verursachten Schädigung ist.
Im Zeitfestigkeitsbereich der Wöhlerlinie ergibt sich so für jedes Lastspiel der Amplitude s_a,i eine Teilschädigung von D_i = 1/N_i, wobei N_i = N(s_a,i) die ertragbare Schwingspielzahl aus der Wöhlerlinie für die Amplitude s_a,i ist. Die Summation über ein n-fach gerastertes Beanspruchungskollektiv mit h_i Schwingspielen im Raster i ergibt:
Die Schädigung D ist die Summe der Teilschädigungen jedes einzelnen beaufschlagten Lastspiels aus dem Kollektiv, während die Lebensdauer N angibt, wieviele Lastspiele aus obigem Kollektiv bis zum Schwingbruch (bzw. -anriß) ertragbar sind. In der Regel sind große Amplituden s_a,i so selten (h_i ist so klein), dass sie trotz der zugehörigen großen Teilschädigungen (1/N_i) nur einen geringen Beitrag h_i/N_i zur Gesamtschädigung liefern. Kleine Amplituden sind sehr viel häufiger, können aber auch nur begrenzt zur Schädigungssumme beitragen, da die ertragbare Schwingspielzahl N_i nach der Wöhlerlinie extrem groß wird (in der Regel fällt die ertragbare Schwingspielzahl mit der 6. bis 8. Potenz der Amplitude s_a,i ab). Im Bereich der Dauerfestigkeit tragen dann die sehr kleinen Amplituden überhaupt nicht mehr zur Schädigung bei.
Für Bauteile einfacher Geometrie, wie z.B. Probestäbe und gekerbte Stäbe, liegen eine Vielzahl von Messungen von Wöhlerlinien (N_A, s_A, k) für verschiedene Parametersätze (Beanspruchungsart, P_ü, s_m ...) vor. Zudem existieren empirische Ver fahren, um aus Materialeigenschaften Wöhlerlinien zu berechnen, verfügbare Wöhlerlinien auf einen gegebenen Parametersatz zu transformieren oder durch Form- und Kerbwirkungszahlen an eine gegebene Geometrie anzupassen.
Spezifische Werkzeuge zur Betriebsfestigkeits- und Schädigungsrechnung unterstützen daher nicht nur die Ermittlung der Schädigungssumme mit einer Schädigungshypothese, sondern durch Zugriff auf Materialdatenbanken und Algorithmen zur Berücksichtigung der Bauteilgestalt und -größe die Berechnung der ertragbaren Belastungen.
Für die rechnerische Lebensdauerabschätzung eines Bauteils komplexer Geometrie und Aufbaus ist die für dieses Bauteil und seine spezifische Beanspruchung (Parameter Beanspruchungsart, P_ü, s_m ...) gültige Wöhlerlinie erfoderlich. In der Regel muß diese Bauteilwöhlerlinie aus Wöhlerlinien für kleine Proben abgeleitet werden, wobei Größen- und Oberflächeneinflüsse geometrischer, statistischer, technologischer und oberflächentechnischer Art zu berücksichtigen sind.
Dies soll 13 illustrieren. Die vertikale Achse zeigt dort die zunehmende Komplexität der Einflüsse, die von einstufigen Lastfolgen (Wöhlerversuchen) über standardisierte Lastfolgen zu den realen betrieblichen Lastfolgen reicht. Auf der Basis einer Hypothese zur Schadensakkumulation kann rechnerisch vom Verhalten bei einfachen Belastungsabläufen auf das Verhalten bei komplexen Lastabläufen geschlossen werden (vertikale Linien in 13).
Die horizontale Achse repräsentiert die Komplexität des Prüflings (Glatter Probenstab, Kerbstab oder Formelement bis zum realen Bauteil). Durch Berücksichtigung von Größen- und Oberflächeneinflüssen kann, bei identischer Lastfolge, empirisch von der Lebensdauer einer einfachen Probe auf die Lebensdauer eines komplexen Bauteils geschlossen werden (horizontale Linien in 13). Ziel ist es, die ertragbare Beanspruchung für das reale Bauteil unter einer betrieblichen Lastfolge zu bestimmen. Die Verfügbarkeit gemessener Daten bestimmt die Anzahl der empirischen bzw. rechnerischen Schritte, die notwendig sind, um zu diesem Ziel zu gelangen und damit auch die Aussagekräftigkeit der ermittelten akkumulierten Bauteilschädigung bzw. der prognostizierten Restlebensdauer.
Werkzeugkette
Der in den vorigen Kapiteln dargestellte Prozess für eine modellbasierte Lebensdauerbeobachtung eines ausgewählten Bauteils ist vorzugsweise auf der Basis einer geeigneten Werkzeugumgebung zu realisieren. 14 zeigt zusammenfassend die zur Modellbildung, Modellsimulation und Schädigungsberechnung erforderlichen Werkzeuge und ihre Schnittstellen untereinander.
Basiswerkzeug ist ein Werkzeug zur Generierung und Simulation mechanischer Vielkörpermodelle. Mit ihrer Hilfe können Systemmodelle als ,virtuelle Prototypen' erstellt, simuliert, getestet und validiert werden, die realitätsnah das Verhalten eines physikalischen Systems reproduzieren. Die Dynamik, interne Kräfte und das Schwingungsverhalten des virtuellen Prototypen können detailliert analysiert und optimiert werden. Die gebräuchlichsten Werkzeuge (SIMPACK und ADAMS) besitzen dabei Schnittstellen zu anderen CAD/CAM/CAE-Werkzeugen, um in den virtuellen Prototyp Teilmodelle, Modellgeometrien, Bauteil-Elastizitäten, regelungstechnische Elemente und messtechnische Anregungen zu integrieren, die in anderen, der jeweiligen Problemstellung angepassten Werkzeugumgebungen entwickelt wurden.
Für die Auslegung von Fahrzeugkomponenten werden FE-Modelle eines Bauteils zur (linearen oder nichtlinearen) Strukturanalyse benutzt. Mittels FE-Programmsystemen, wie ABAQUS, ANSYS oder NASTRAN, werden entsprechende Modelle erzeugt, um bspw. in statischen Festigkeitsanalysen die Verformung und mechanische Beanspruchung, in Modalanalysen die Eigenfrequenzen und -formen und in dynamischen Analysen das Schwingungsverhalten des Bauteils zu untersuchen und zu bewerten.
Programme zur Betriebsfestigkeitsrechnung wie FALANCS, FEMFAT oder MSC/FATIGUE können benutzt werden, um mit gemessenen oder modellbasiert generierten Beschreibungen lokaler Beanspruchungen und mit zyklischen Werkstoffparametern lokale Einzelschädigungen eines betrachteten Bauteils zu ermitteln und eine verbleibende Restlebensdauer zu prognostizieren.
Die Integration von Verhaltensbeschreibungen eines mechatronischen Systems, die durch Analyse verschiedener Teilaspekte in einer der jeweiligen Problemstellung angepassten Werkzeugumgebung erstellt wurden, zu einem virtuellen Prototyp erlaubt es, schon zu einem frühen Zeitpunkt der Systementwicklung die Erfüllung der gestellten Anforderungen zu verifizieren, das Systemverhalten zu analysieren, zu demonstrieren und zu dokumentieren. Kostengünstig und in kurzer Zeit können an Hand des virtuellen Prototypen Konstruktionsvarianten untersucht und optimiert werden. Dies ist allerdings nur möglich, wenn es gelingt, die verschiedenen verwendeten Werkzeuge durch geeignete Schnittstellen zu einer geschlossenen Werkzeugumgebung zu integrieren.
Im Projekt ,online-Lebensdauerbeobachter' werden keine projekt-spezifischen Modelle entwickelt, vielmehr wird auf bereits verfügbare Modelle zurückgegriffen, so dass innerhalb des Projektes keine freie Wahl der zu verwendenden Modellierungswerkzeuge mehr besteht. Wie im Kap. 0 beschrieben, ist das verwendete Gesamtfahrzeugmodell als SIMPACK-Modell verfügbar, in das sowohl elastische Körper, deren Beschreibung aus NASTRAN-Modellen extrahiert wurden, als auch geometrische Repräsentation aus CAD-Datenbanken integriert sind.
FEMBS/LOADS-Schnittstelle von SIMPACK zu FE-Werkzeugen
FEMBS ist ein Schnittstellenprogramm zwischen Programmsystemen zur Finite-Element-Analyse und zur Vielkörperdynamiksimulation, das Eingangsdaten flexibler Körper für das MBS-System selektiert und generiert. Diese Verknüpfung erfolgt dabei nicht nur in Form eines reinen Datentransfers, sondern erfordert die Berechnung zusätzlicher physikalischer Größen für das nichtlineare MBS-Modell. Während FE-Programme die Bewegung komplexer flexibler Strukturen durch eine große Anzahl nodaler Koordinaten beschreiben, wird in MBS-Programmen die Dynamik elastischer Körper durch eine Starrkörperbewegung modelliert, die von kleinen elastischen Deformationen überlagert wird. Diese elastischen Deformationen werden als eine Superposition von wenigen, üblicherweise mit FE-Programmen vorab berechneten, Eigenformen beschrieben.
Die verwendeten Eigenmoden werden aus einer FE-Modalanalyse der freien Struktur entnommen. Als homogene Lösungen beschreiben sie das Schwingungsverhalten des elastischen Körpers nur dann richtig, wenn die einwirkenden Lasten keine lokalen Deformationen an den Krafteinleitungspunkten bewirken. Die Einbeziehung statischer Lasten an den Krafteinleitungspunkten in die Eigenmoden (,static modes') erfordert in der Superposition der elastischen Deformationen sehr viele teils hochfrequente Eigenmoden. In FEMBS werden dagegen auf der Basis der gewählten freien Eigenschwingungen sog. frequency response modes benutzt. Mit diesen Eigenmoden, die harmonische Kräfte an den Krafteinleitungspunkten der elastischen Struktur berücksichtigen, kann der elastische Körper mit wenigen Eigenmoden sehr effektiv mit der umgebenden MBS-Struktur verbunden werden.
Die Koeffizienten der Bewegungsgleichungen für den elastischen Körper ergeben sich aus zeitunabhängigen Volumenintegralen, die in der Schnittstelle einmalig berechnet und in Form von Entwicklungskoeffizienten (in der Deformation) bis zur 2. Ordnung als Standard Input Data (SID) in einer Datei abgelegt werden.
Dies führt zum Transfer von Informationen für ein reduziertes Modell eines elastischen Körpers aus einer FE-Modellierung des Körpers in das MBS-Modell, wie er auf der linken Seite von 15 dargestellt. Hierbei werden in Form einer interaktiven Schleife die deduktive Ableitung der gemessenen Belastungen auf Bauteile des Vielkörpersystem mit den induktiv berechneten Belastungen aus dem Vielkörpersystem auf die Bauteile und daraus bestimmten Belastungen durch Auswahl der relevanten Bauteile und durch Auswahl der relevanten Eigenformen des Finite-Elemente Modells zur Deckung gebracht.
FEMBS erzeugt in Interaktion mit dem Benutzer in 5 sequentiellen Schritten (s. Tabelle 2) ein reduziertes Modell des ausgewählten elastischen Körpers in Form einer SID-Datei, deren Format ebenfalls in beschrieben ist. Beim Aufbau des Modells wird sie vom SIMPACK-Preprocessor interpetiert und definiert im MBS-Modell einen elastischen Körper.
Tabelle 2 : Schrittweises Vorgehen in der FEMBS-Anwendung
Die LOADS (oder FEMBS^–1) Schnittstelle ist Teil des SIMPACK-Postprocessing und erlaubt es für jeden mit FEMBS importierten elastischen Körper des MBS-Modells nach Durchführung einer Simulation des Gesamtmodells die dynamischen Reaktionskräfte (Lasten), die auf die elastischen Körper wirken, zu berechnen. Für das körperfeste Koordinatensystem bestimmt, werden die Zeitverläufe der Reaktionskräfte in einer formatierten (SOD-) Datei abgelegt, die direkt von der verwendeten FE-Software interpretierbar ist. Nach interaktiver Auswahl eines elastischen Körpers aus dem MBS-Modell und einer Auswahl von Zeitschritten der Simulation werden mit LOADS dann Reaktionskräfte für diejenigen Knoten des FE-Modells berechnet und abgelegt, die beim Import eines reduzierten Modells mit der FEMBS-Schnittstelle ausgewählt und im MBS-Modell des Körpers durch einen Marker beschrieben wurden (s. rechte Seite von 15).
Werkzeuge zur Schädigungsberechnung
Die Schädigungsberechnung für ein ausgewähltes Bauteil erfolgt in 3 Schritten:

– Aufbereitung und Komprimierung lokaler Beanspruchungen, denen das Bauteil an seinen kritischen Querschnitten ausgesetzt ist;
– Bereitstellung zyklischer Materialparameter unter Berücksichtigung der Bauteilgestalt;
– Schadensakkumulation unter Verwendung eines entsprechenden physikalischen oder empirischen Ansatzes.

16 gibt eine Übersicht über die zu einer werkzeuggestützten Schädigungsberechnung notwendigen Eingangsinformationen und Funktionalität. Die verschiedenen kommerziellen und in der Praxis eingesetzten Werkzeuge zur Schädigungsberechnung unterscheiden sich beträchtlich in ihrer Zielsetzung, ihrer Leistungsfähigkeit und ihrem Umfang.
Die wesentlichen Unterscheidungsmerkmale sind:

– Unterstützung und Verarbeitung verschiedener Darstellungsformen für die eingehende Beanspruchungsinformation (Zeitverläufe, Kollektive, Rainflow-Matrizen);
– Verfügbarkeit verschiedener Varianten der Minerregel zur Schadensakkumulation nach dem Nennspannungskonzept (spannungs-basierte Schädigungsberechnung);
– Verfügbarkeit verschiedener Teilmodule zur Schadensakkumulation nach dem örtlichen Konzept (dehnungs-basierte Schädigungsberechnung, Rissfortschrittsberechnung);
– Verfügbarkeit von Datenbanken für die Bauteilwöhlerlinie und zyklische Materialparameter;
– Berücksichtigung mehrachsiger Beanspruchungen und verschiedener Umgebungsbedingungen;
– Anbindung an FE- und MBS-Modellierungswerkzeuge und an Software zur Prüfstandssteuerung;
– Möglichkeiten zur grafischen oder dateibasierten Darstellung und Dokumentation der Ergebnisse.

FEMFAT
FEMFAT ist ein Softwarepaket für eine Schädigungsanalyse, die auf den Ergebnissen einer FE-Analyse aufsetzt. Schnittstellen zu MBS-Softwarepaketen und zur Prüfstandssteuerung (RPC-Format) sind ebenfalls vorhanden. Die Schädigungsberechnung in FEMFAT basiert auf der Ermittlung von S/N-Kurven (Wöhlerlinien) an den einzelnen Knoten des FE-Modells, also den ertragbaren Schwingspielzahlen als Funktion der beaufschlagten Spannungsamplituden, die von den Beanspruchungen und dem jeweiligen lokalen Verhalten des Bauteils abhängen. Eine Vielzahl von Erweiterungsmodulen erlaubt den Einsatz von FEMFAT für spezifische Anwendungsfälle (mehrachsige Beanspruchungen, Schweisspunkte ...).
Eine Lebensdaueranalyse mit dem Werkzeug FEMFAT geht in folgenden Schritten vor sich:

– Import von Informationen über das FE-Modell des Bauteils; Geometriedaten des Bauteils (Knoten und Elemente) Übernahme im FE-Modell definierter Gruppen
– Import von knoten-bezogener Spannungsinformation aus dem FE-Modell;
– Generieren der benötigten Materialdaten; Einlesen aus FEMFAT-Datenbank oder Generierung aus Grundparametern
– Import oder Generieren einer Beanspruchungsbeschreibung; Rainflow-Spektren
– Schädigungsberechnung an den Knoten der aktuellen Gruppe; Berücksichtigung relevanter Einflüsse (Oberflächenrauheit, -Behandlung) Auswahl der Analyse und Einflußfaktoren (Spannungsgradienten, Oberfläche, Spots, Welding...) Selektion der Ausgabedaten (grafische Darstellung, Datei-Ausgabe für FE-Postprocessing)

WAFO-Toolbox für MATLAB
WAFO (Wave Analysis for Fatigue and Oceanography) ist eine Toolbox für Matlab mit Einzelroutinen zur statistischen Analyse und Simulation von Zufallswellen und -belastungen, die massgeblich am Institut für mathematische Statistik der Lund University in Schweden entwickelt wurde. Die Einzelroutinen (m-Files) der Toolbox, die je nach Anwendung in verschiedenen Subverzeichnissen zusammengefasst sind, umfassen u.a. die Analyse von Messdaten durch Ermittlung von Parametern in statistischen Verteilungen, eine Vielzahl ozeanografischer Anwendungen, aber auch Routinen für eine eine statistische Schädigungsanalyse, allgemeine Tools für statistische Auswertungen und grafische Darstellungen.
Einige der Module (SPEC, TRGAUSS, WAVEMODELS und MULTIDIM) wurden für spezifische ozeanografische Anwendungen entwickelt, andere Module wie CYCLES, MARKOV und DAMAGE enthalten die wesentlichen Applikationen für eine Schädigungsberechnung. Dazu zählen u.a. geprüfte und effiziente Algorithmen zur Umkehrpunktextraktion und Rainflowfilterung, zur Ermittlung von Überschreitungshäufigkeiten, Minimum-Maximumzyklen und Rainflowzyklen, zur Umwandlung von Zyklen in Matrizen und Histogramme, zur Extrapolation und Glättung von Rainflowmatrizen, zur Generierung von Rainflowmatrizen aus Markov-Modellen, zur Schädigungsberechnung aus Zyklen und aus Matrizen, sowie zur Simulation von Zufallslasten. Tabelle 3 zeigt einen summarischen Überblick über die Anwendungsgebiete der für die Schädigungsrechnung relevanten Teilmodule aus der WAFO-Toolbox.
Tabelle 3 Für die Schädigungsrechnung relevante WAFO-Teilmodule
Umsetzungskonzepte zur Online-Lebensdauerbeobachtung
Trennung von Aufzeichnungs- und Auswertekanal
Unabhängig davon, ob die Ermittlung der betrieblichen Beanspruchungen eines ausgewählten Bauteils direkt gemessen werden kann oder modellbasiert erfolgt, lässt sich ein Fahrzeugmodul zur Online-Lebensdauerbeobachtung des Bauteils in zwei getrennte Teilsysteme separieren, die jeweils grundlegend anderen Anforderungen unterliegen.
Ein Teilsystem muss die Schnittstelle zur Fahrzeugsensorik darstellen, in der in hochfrequenten Wiederholungsraten aktuelle Zustandsinformationen über das Fahrzeug vorliegen. Physikalisch wird diese Schnittstelle in der Regel als Anbindung des Lebensdauerbeobachters an einen Fahrzeug-Datenbus realisiert sein. Unter Realzeitanforderungen müssen die originalen Sensorinformationen aufbereitet und ausgewertet werden, wobei dies sowohl in Form eines ,intelligenten Sensors' mit integrierten Einheiten von Sensorelement, Signalverarbeitung und A-D-Wandlung oder durch Übertragung digitaler Sensordaten über den Bus mit anschließender Datenaufbereitung und -integration in einem eigenen Modul erfolgen kann. In jedem Fall unterliegt diese Einheit, die den Aufzeichnungskanal des Gesamtmoduls zur Lebensdauerbeobachtung darstellt, den Realzeitanforderungen der Fahrzeugsensorik.
Das zweite Teilsystem dient der Aufbereitung der Ausgangsdaten des Aufzeichnungskanals zu einer Lebensdauerprognose des ausgewählten Bauteils. Die Schädigungsberechnung beruht auf der Auswertung von Bauteilbeanspruchungen, die über längere Zeiträume akkumuliert werden, und unterliegt daher nicht den Realzeitanforderungen des Aufzeichnungskanals. Die Berechnung einer Lebensdauer-Prognose kann dabei zyklisch (stündlich, täglich ...) in vordefinierten ,Wartungsintervallen' oder ereignisgesteuert (nach Beendigung einer Fahrt, bei Auftreten eines vordefinierten oder kritischen Betriebszustands) erfolgen. In jedem Fall sind die Berechnungszyklen in diesem Aus wertekanal deutlich größer als die Zyklen mit denen in der Fahrzeugsensorik neue Daten bereitgestellt werden.
Ein Datenspeicher trennt den Aufzeichnungskanal, in dem hochfrequent Daten verarbeitet werden, und den Auswertekanal, in dem über längere Zeiträume akkumulierten Eingangsdaten verwendet werden. In der Realisierung eines Moduls zur Online-Lebensdauerbeobachtung gibt es verschiedene Möglichkeiten, die Grundfunktionen einer modellbasierten Lebensdauerbeobachtung dem Aufzeichungs- oder Auswertekanal zuzuordnen. Jede mögliche Variante ist aber mit unterschiedlichen Anforderungen an die physikalische Realisierung des Moduls zur Online-Lebensdauerbeobachtung verbunden. Insgesamt lässt sich hierbei ein Spannungsfeld aus folgenden Einflußfaktoren darstellen:

– notwendige Rechenleistung im Aufzeichnungskanal (unter Realzeitanforderungen);
– notwendiger Speicherbedarf in der Schnittstelle Aufzeichnungs- und Auswertekanal;
– notwendiger (Kommunikations-)Aufwand zur Datenübertragung über den gesamten Prozess;
– zulässiger Informationsverlust in der Datenübertragung vom Aufzeichnungs- zum Auswertekanal.

17 ist eine grafische Darstellung dieses Spannungsfeldes, in das verschiedene Verteilungsvarianten für ein Modul zur modellbasierten Lebensdauerbeobachtung eingetragen sind. Aufgrund der unterschiedlichen Anforderungen an die physikalische Realisierung entsprechen die dargestellten Varianten verschiedenen Umsetzungskonzepten für die Online-Lebensdauerbeobachtung.
Für die Umsetzung werden folgende Vorgehenweisen vorgeschlagen:
Die verschiednen Vorgehensweisen sind in Tabelle 4 zusammmengefasst und werden bezüglich der Einflußfaktoren grob bewertet. Das wesentliche Merkmal einer Vorgehensweise ist dabei, ob die modellbasierte Beanspruchungsermittlung im Aufzeichnungskanal (beanspruchungsbasierte Vorgehensweisen) oder im Auswertekanal (belastungsbasierte Vorgehensweisen) erfolgt. Die Komprimierung der Information vor dem Transfer vom Aufzeichnungs- in den Auswertekanal kann jeweils direkt (ohne Informationsverlust), durch Fouriertransformation in Leistungsdichtespektren (Verlust der Phaseninformation) oder durch Bildung von Kollektiven (Verlust der Sequenz- und Phaseninformation) erfolgen. Hier sollen anhand zweier extremer Fälle nur kurz die wichtigsten Vorgehensweisen summarisch behandelt werden: Tabelle 4: Vorgehensweisen zur Online-Lebensdauerbeobachtung und ihre Bewertung
Direkte Vorgehensweise (beanspruchungsbasiert mit Kollektivbildung):
Die Signalvorverarbeitung und die modellbasierte Ermittlung der Beanspruchungen werden bei dieser Vorgehensweise im Aufzeichnungskanal unter Realzeitanforderungen ausgeführt. Dies erfordert dort, insbesondere wenn zur Ermittlung der Beanspruchungen Modelle mit vielen Freiheitsgraden erforderlich sind, sehr viel Rechenleistung. Aus den verschiedenen Varianten zur Komprimierung und Akkumulation der ermittelten Beanspruchungszeitverläufe wird hier diejenige benutzt, die Beanspruchungskollektive, als minimal für die Schädigungsberechnung notwendige Information, über den Datenspeicher an den Auswertekanal übergibt. Dort können die akkumulierten Beanspruchungskollektive nach Ablauf eines Wartungsintervalls ausgewertet werden.
Die verfügbare Information reicht dann allerdings nur aus, um eine summarische Schädigungsbewertung für das Wartungsintervall durchzuführen. Eine detaillierte (bspw. modellbasierte) Analyse eines schädigungsrelevanten Einzelereignisses ist mit dieser Information in der Auswertung nicht möglich.
Belastungskomprimierung (belastungsbasiert mit direkter Komprimierung):
In diesem Umsetzungskonzept sollen, als vollständige Beschreibung der Systemlast, die Zeitverläufe der vorverarbeiteten und integrierten Sensorsignale mittels eines geeigneten, effektiven Komprimierungsalgorithmus direkt zwischengespeichert werden, um damit den Informationskanal der Aufzeichnung von demjenigen der Auswertung zu separieren. Dies entlastet die Datenaufzeichnung von der Rechenlast für die Modellausführung unter Realzeitanforderungen, erfordert aber, abhängig von der Effektivität der Datenkomprimierung, ausreichenden Speicherplatz. Im Auswertekanal steht dann aber, nach einer Datendekomprimierung, die vollständige Information über die Zeitverläufe der einzelnen Systemlasten zur Verfügung. In der modellbasierten Ermittlung der Beanspruchungen, die hier ohne Realzeitanforderungen im Auswertekanal erfolgt, können daher auch aufwendige und komplexe Modelle eingesetzt werden.
Auf der Basis der vollständigen Beschreibung der Systemlasten können in der Auswertung sowohl die verwendeten Systemmodelle modifiziert und an die Anforderungen adaptiert werden, wie auch verschiedene Ansätze zur Schädigungsberechnung eingesetzt und abgeglichen werden können.
Vorgehensweise unter Verwendung von Standardnutzungsfällen
In allen im vorigen Abschnitt erwähnten Vorgehensweisen wird die Schädigung des ausgewählten Bauteils mit Hilfe verfügbarer Information über den aktuellen Zustand des Fahrzeugs berechnet. Vorwissen über die Bauteilschädigung, z.B. unter standardisierten Belastungsfolgen oder unter Nutzung des Fahrzeugs bei sich wiederholenden operativen Bedingungen, wird nicht benutzt.
Das Ziel der Vorgehensweise unter Verwendung von Standardnutzungsfällen ist es, schädigungsrelevantes Vorwissen zu nutzen, um für einen Teil der Betriebszeit eine vereinfachte Schädigungsrechnung durchzuführen, so dass die begrenzten Ressourcen an Rechenleistung und Speicherplatz für diejenigen Betriebszeiten zur Verfügung stehen, für die ein Vorwissen nicht verfügbar ist.
Das schädigungsrelevante Vorwissen kann dabei bspw. aus Informationen über die betriebliche Nutzung und das zugehörige Schädigungsverhalten des ausgewählten Bauteils aus vergleichbaren oder identischen Fahrzeugen stammen. Es kann aber auch aus Prüfstandsversuchen eines entsprechenden Fahrzeugprototypen ermittelt oder schon während der Entwicklungsphase des Fahrzeugs mit Hilfe von Simulationsrechnungen für ein geeignetes Fahrzeugmodell generiert worden.
Standardnutzungsfall (Use-Case) und im Vorfeld ermittelte Schädigungsrate
Das schädigungsrelevante Vorwissen verbindet eine definierte Fahrzeugnutzung mit einer zugehörigen Schädigungsrate für das betrachtete Bauteil. Im Vorfeld können dabei die Belastungs-/Beanspruchungsverläufe oder -kollektive, die bei einer Fahrzeugnutzung im Standardnutzungsfall auftreten, in einer modellbasierten Beanspruchungsermittlung und/oder einer bauteil-spezifischen Schädigungsrechnung zu einer zu diesem Nutzungsfall gehörenden Schädigungsrate integriert werden.
Damit ergibt sich die Vorgehensweise aus 18 mit zwei alternativ anzuwendenden Auswerteverfahren.
Solange die Signale aus der Fahrzeugsensorik bzw. die Zeitverläufe der Systemlasten für das Fahrzeug einen Standardnutzungsfall (USE-CASE) anzeigen, wird das zugehörige schädigungsrelevante Vorwissen in Form einer für diesem Nutzungsfall definierten Schädigungsrate benutzt, um eine stark vereinfachte Schadensakkumulation durchzuführen. Sie erfordert daher ebensowenig eine modellbasierte Beanspruchungsermittlung und bauteilspezifische Schädigungsrechnung, wie eine aufwendige Speicherung von Informationen zur Trennung von Aufnahme- und Auswertungskanal.
Die Ressourcen an Rechenleistung und Speicherplatz stehen dann nahezu vollständig für diejenigen Betriebszeiten zur Verfügung, in denen die Systembelastungen für das Fahrzeug keinen Standardnutzungsfall anzeigen. Hierfür können, je nach Auslegung, die im vorigen Abschnitt beschriebenen verschiedenen Umsetzungskonzepte (von der direkten Vorgehensweise bis zur Komprimierung der Belastungen) eingesetzt werden, um au ßergewöhnliche (nicht-standardmäßige) Nutzung und besonders schädigungsrelevante Ereignisse im Detail erfassen zu können.
Identifikation der Standardnutzungsfälle (Use-cases)
Ein Standardnutzungsfall (Use-Case) ist als eine spezifische Folge von äusseren Anregungen eines Systems definiert, die zu vorgegebenen Zeitpunkten erfolgen. Das kann z.B. als eine Folge vordefinierter Streckenabschnitte und Trassierungsverhältnisse sowie als eine sequentielle Folge von Aktionen des Fahrers beschrieben sein. Das System reagiert auf diese Anregungen, in dem sich die beobachtbaren Sensorsignale aus einem Anfangswert in definierter Weise zeitlich verändern.
Berücksichtigt man die Abhängigkeit der zeitlichen Entwicklung unter den Bedingungen des Use-Cases von den Anfangsbedingungen bzw. den Anfangswerten der Sensorsignale und Unsicherheiten im Vorwissen, beschreibt ein Standardnutzungsfall die zeitliche Entwicklung eines beschränkten Volumens in einem Raum, der von den Sensorsignalen aufgespannt wird, unter den äusseren Anregungen, die den Use-Case definieren (siehe 19).
In einem Standardnutzungsfall ist also die zeitliche Abfolge der einzelnen Werte der Sensorsignale als Sollverhalten sowie ihre Ungenauigkeit vordefiniert, so dass mit Hilfe des schädigungsrelevanten Vorwissens die in diesem Use-Case akkumulierte bauteil-spezifische Schädigung vorbestimmt werden kann (s. 19).
Solange keine äußere Anregung für das System auftritt, die von dem im Use-Case definierten Ablauf abweicht, verläuft die zeitliche Entwicklung des Systems entlang des im Use-Case definierten Sollverhaltens. Sind die äußeren Anregungen nicht vollständig detektierbar, muß zu jedem Zeitpunkt geprüft werden, ob jedes Sensorsignal sich noch innerhalb des im Use-Case definierten Wertebereichs befindet. Ist dies nicht mehr der Fall, wird das Systemverhalten vom Sollverhalten des Use-Cases abweichen und eine Vorbestimmung der Schädigungsrate unmöglich.
Der Ansatz mittels Standardnutzungsfälle wird dann besonders effektiv, wenn lang andauernde betriebliche Nutzungszeiten auftreten, in denen sehr wenige und sich nur beschränkt auf die Systemdynamik auswirkende äußere Anregungen auftreten. Das System wird dann in einen quasi-stationären Zustand übergehen und sich in diesem Zustand auf einen stark lokalisierten Teilbereich im Raum der Sensorsignale beschränken.
Zwei exemplarische Beispiele für Standardnutzungsfälle sollen hier erwähnt werden
Im Standardnutzungsfall, „Stillstand bei laufenden Motor" bleibt das Fahrzeug im Stillstand, ohne Eingriff von außen, sich selbst, überlassen. Die Fahrzeugsensorik wird den Übergang in einen quasi-stationären Zustand anzeigen, der praktisch unabhängig von der Vorgeschichte wird. Dieser Betriebsfall macht einen nicht unerheblichen Anteil der gesamten Nutzungszeit eines Fahrzeugs aus, gleichzeitig kann, bspw. in Prüfstandsversuchen, im Vorfeld der betrieblichen Nutzung sehr viel Wissen über die Schädigung des betrachteten Bauteils generiert werden.
In einem Standardnutzungsfall ,Autobahnfahrt' wird anhand der verfügbaren Fahrzeugsensorik eine Autobahnfahrt erkannt (z.B. werden die gemessenen Fahrgeschwindigkeiten über einen längeren Zeitraum bei einer großen mittleren Geschwindigkeit liegen und eine kleine Schwankungsbreite zeigen). Auch hier kann im Vorfeld der betrieblichen Nutzung sehr viel Wissen über die Schädigung des betrachteten Bauteils generiert werden. So kann anhand von für eine Autobahnfahrt typischen Streckenprofilen und Fahreraktivitäten eine Bemittelte Schädigungsrate für das Bauteil bestimmt werden.
Adaption der Standardnutzungsfälle
Ein wesentlicher Vorteil, den der Ansatz unter Berücksichtigung vordefinierter Standardnutzungsfälle mit sich bringt, ist die Möglichkeit, die Definition der Standardnutzungsfälle an die vorhandene Basis schädigungsrelevanten Vorwissens anzupassen. Die aktuelle Schädigungsrate in einem Standardnutzungsfall ergibt sich aus einer Mittelung über die Schädigungsraten der zu diesem Zeitpunkt im Nutzungsfall zulässigen Werte der verschiedenen Sensorsignale.
Besitzt man wenig Vorwissen, wird man nur wenige ,grobe' Nutzungsfälle spezifizieren können, die relativ große zulässige Bereiche im Raum der Sensorsignale umfassen. Die über diese Bereiche gemittelte Schädigungsrate liefert entsprechend nur eine grobe Abschätzung für die zu erwartende Gesamtschädigung. Entsprechend wird für einen großen Teil der gesamten Nutzungszeit eine detaillierte Schädigungsanalyse im ,Event'-Kanal auf der Basis aktueller Werte der Sensorsignale durchgeführt werden müssen.
Gewinnt man aus der betrieblichen Nutzung vergleichbarer Fahrzeuge eine verbesserte Basis an schädigungsrelevantem Vorwissen für das betrachtete Bauteil, können verfeinerte Standardnutzungsfälle spezifiziert werden. Da in jedem Standardnutzungsfall für die Schädigungsanalyse nur ein definierter Verlauf der Schädigungsrate hinterlegt werden muss, lässt sich das Modul zur Lebensdauerbeobachtung eines Bauteils leicht an eine verfeinerte Spezifikation der Standardnutzungsfälle adaptieren.
Die Integration des schädigungsrelevanten Vorwissens, in dem durch Analyse der Sensorinformation Zeiträume standardisierter Nutzung mit vordefiniertem Schädigungsverhalten für das betrachtete Bauteil identifiziert werden, erlaubt über die gesamte Nutzungszeit eine flexible Mischung einer vereinfachten Schädigungsbestimmung (mit entsprechender Unsicherheit) und einer detaillierten modellbasierten Schädigungsrechnung (mit entsprechendem Bedarf an Speicherplatz und Rechenleistung).
So ist bei entsprechendem Vorwissen bspw. vorstellbar, den Nutzungsfall ,Stillstand bei laufenden Motor' mit der Leerlaufdrehzahl zu parametrisieren und drehzahlabhängige Schädigungsraten zu hinterlegen. Entsprechend könnte die Standardnutzung ,Autobahnfahrt', falls entsprechendes Vorwissen verfügbar ist, abhängig von einem Parameter in mehrere Nutzungsfälle verfeinert werden (Bereiche der Fahrgeschwindigkeit ...).
Da die Standardnutzungsfälle sich aus einer definierten Sequenz äußerer Anregungen ableiten, sind sie nicht bauteil-spezifisch. So kann die Spezifikation der Nutzungsfälle bei Betrachtung eines weiteren Bauteils übernommen werden, es muß dann aber eine bauteil-spezifische Schädigungsinformation hinterlegt werden.

Claims

Modellbasierter Lebensdauerbeobachter mit folgenden Modulen: – Ermittlung von Systembelastungen aus der vorhandenen Systemsensorik, insbesondere einer Fahrzeugsensorik, und Aufbereitung der Sensorsignale aus der Systemsensorik zu Belastungszeitverläufen; – Ermittlung der lokalen Bauteil-Beanspruchungen aus dem Systemmodell und den Belastungszeitverläufen; – Berechnung der Restlebensdauer der im Systemmodell enthaltenen Bauteile aus den akkumulierten Bauteilschädigungen durch eine Betriebsfestigkeitsanalyse.
Modellbasierter Lebensdauerbeobachter nach Anspruch 1, bei dem das Systemmodell um ein Umweltmodell ergänzt ist, wobei das Umweltmodell fehlende Sensoren in der Systemsensorik durch Simulation mittels Erfahrungswissen vervollständigt.
Modellbasierter Lebensdauerbeobachter nach Anspruch 1 oder 2, bei dem das Systemmodell ein komplexes Vielkörpersystem (MBS) ist.
Modellbasierter Lebensdauerbeobachter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem das Vielkörpersystem Daten mit einem CAD System austauscht und die einzelnen Bauteile des Vielkörpersystems mit einem Finite-Elemente-Werkzeug modelliert sind.
Modellbasierter Lebensdauerbeobachter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem die Belastungszeitverläufe aus den Belastungen der Systemlagerungen, insbesondere aus den Radnabenkräften gewonnen werden.
Modellbasierter Lebensdauerbeobachter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem die Berechnung der Bauteilschädigung auf drei sequentiell durchzuführende Teilschritte aufgeteilt ist: – Akkumulation der Beanspruchungen in Beanspruchungskollektive; – Parametrisierung der ertragbaren Beanspruchungen; – und Bewertung der Beanspruchungskollektive.
Modellbasierter Lebensdauerbeobachter nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem die Werkzeugkette aus folgenden Softwaremodulen besteht: – einem Vielkörpersystem, das über eine Schnittstelle CAD Daten mit einem Finite-Elemente-Werkzeug austauscht; – das Finite-Elemente-Werkzeug über eine weitere Schnittstelle Daten mit einem Schädigungsberechnungsmodul austauscht; – und das Vielkörpersystem über eine weitere Schnittstelle Daten mit dem Schädigungsberechnungsmodul austauscht.
Modellbasierter Lebensdauerbeobachter nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem interaktiv ein reduziertes Modell für die einzelnen Bauteile des Gesamtsystems generiert wird.
Modellbasierter Lebensdauerbeobachter nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem die Schädigungsberechnung für eine ausgewähltes Bauteil in drei Schritten erfolgt: – Aufbereitung und Komprimierung lokaler Beanspruchungen, denen das Bauteil an seinen kritischen Querschnitten ausgesetzt ist; – Bereitstellung von Materialparametern unter Berücksichtigung der Bauteilgestalt; – Schadensakkumulation unter Verwendung eines entsprechenden physikalischen oder empirischen Ansatzes.
Modellbasierter Lebensdauerbeobachter nach einem der Ansprüche 1 bis 9, mit zwei durch einen Datenspeicher getrennten Teilsystemen, die als Aufzeichnungskanal und als Auswertekanal bezeichnet werden, wobei der Aufzeichnungskanal die Schnittstelle zur Fahrzeugsensorik ist und unter Echtzeit-Bedingungen arbeitet und Daten im Datenspeicher aufzeichnet, und der Auswertekanal die im Datenspeicher aufgezeichneten Daten, zyklisch, ereignisgesteuert oder zu vordefinierten Wartungsintervallen auswertet.
Modellbasierter Lebensdauerbeobachter nach Anspruch 10, bei dem Signalverarbeitung, modellbasierte Belastungsberechnung und Belastungskollektiv-Bildung im Aufzeichnungskanal erfolgen und lediglich die Schädigungsberechnung im Auswertekanal erfolgt.
Modellbasierter Lebensdauerbeobachter nach Anspruch 10, bei dem die Signalverarbeitung und Datenkomprimierung im Aufzeichnungskanal erfolgt und die Datendekomprimierung, die modellbasierte Belastungsberechnung, die Belastungskollektiv-Bildung und die Schädigungsberechnung im Auswertekanal erfolgt.
Modellbasierter Lebensdauerbeobachter nach Anspruch 10, bei dem Signalverarbeitung und Belastungskollektiv-Bildung im Aufzeichnungskanal und modellbasierte Belastungsberechnung und Schädigungsberechnung im Auswertekanal erfolgen.
Modellbasierter Lebensdauerbeobachter nach Anspruch 10, bei dem die Belastungszeitverläufe durch Bewertung in Standardnutzungsfälle eingeteilt werden und falls ein Belastungszeitverlauf in einen Standardnutzungsfall eingeteilt wird, für diesen Standardnutzungsfall eine spezifische Schädigungsrate für die bauteilspezifische Restlebensdauer zugrunde gelegt wird.
Modellbasierter Lebensdauerbeobachter nach Anspruch 14, bei dem die spezifische Schädigungsrate empirisch gewonnenes Schädigungswissen ist.
Modellbasierter Lebensdauerbeobachter nach Anspruch 14, bei dem schädigungsrelevantes Vorwissen über die Bauteile in die spezifische Schädigungsrate einfließt.
Modellbasierter Lebensdauerbeobachter nach Anspruch 14, bei dem ein Standardnutzungsfall im Kraftfahrzeug den Leerlauf des Motors bei stehendem Fahrzeug erfasst.
Modellbasierter Lebensdauerbeobachter nach Anspruch 14, bei dem ein Standartnutzungsfall im Kraftfahrzeug die Autobahnfahrt eines Kraftfahrzeuges erfasst.