DE10257793A1 - Model based service life monitoring system, especially for forecasting the remaining service life of motor vehicle components, whereby existing instrumentation is used to provide data for a model for calculating wear - Google Patents
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Abstract
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.The invention relates to a model-based Lifetime observer for the calculation of the remaining life of a selected component. The model-based Lifetime observer linked the measurement of operational loads by means of available sensors with a model-based preparation of the measured loads to local Component load profiles and their rating with a damage accumulation calculation.
Aus der
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.Lifetime monitoring of the aforementioned Art have the disadvantage that the Sensors for determining the component loads as close as possible to the component, whose life is monitored should be, must be appropriate. In component monitoring of multi-body systems, their individual assemblies form a complex model, therefore, must at least for the individual assemblies are always subjected to load measurements. Will you in this way a lifetime observation of all components realizing the overall model in real time increases the effort Sensor technology enormously.
Die Erfindung setzt sich daher zur Aufgabe die Lebensdauer einzelner Bauteile oder Bauteilgruppen innerhalb eines Gesamtmodells mit möglichst wenigen Sensoren zu realisieren.The invention is therefore to Task the life of individual components or groups of components within an overall model with as possible few sensors to realize.
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.The task is solved with a Model-based life observers with the features of the claim 1. Further advantageous embodiments are in the subclaims in the embodiments contain.
Vorgeschlagen wird ein modellbasierter Lebensdauerbeobachter, mit folgenden Modulen:Proposed is a model-based Lifetime observer, with the following modules:
– Ermittlung von Systembelastungen:- Determination of system loadings:
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.First of all, the different ones have to the existing system sensors, in particular a vehicle sensor available Analyzed sensor signals in a step of signal preprocessing, be evaluated and integrated. The goal is the time courses of the original Sensor signals corresponding time courses for a complete and to generate consistent set of system loads.
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.This initially includes the standard methods a signal processing, such as the elimination of unwanted Measuring and interference signals, the evaluation of signal accuracy, the selection of relevant time windows or a frequency analysis with filtering and smoothing. In addition, in usually signals from different sensors correlated with each other and, if appropriate, the time course of a corresponding system load can be integrated.
– Modellbasierte Ermittlung von Bauteil-Beanspruchungen:- Model-based determination of component loads:
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.The determined system loads have to the model-based determination of local component-specific stresses enable. This is achieved by the system sensors, in particular from the vehicle sensor system, the extracted set of system loads the Stimulation of a component-specific model consistent in time and completely describes and thus allows a simulation of the system behavior. By temporal integration of the model behavior under influence of the complete Set of time-dependent System loads then become time courses of local component stresses determined. These component stresses can, for example, in the form of a Time course of local reaction forces, stresses or strains at the selected Component present.
– Berechnung der Bauteilschädigung:- calculation of component damage:
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.The evaluation of the component damage accumulated as a result of the experienced stresses takes place in the environment of an analysis of the fatigue life by evaluation of the stress time courses in one classical damage accumulation calculation. The time courses of the stresses are first compressed under targeted loss of information in the collective of demands. In principle, freely selectable evaluation intervals can be integrated with the help of a suitable description of the tolerable stress (eg a Wöhler line of the considered component) and a damage hypothesis to a incurred in the evaluation interval component damage or a prognosis for the remaining life remaining in the meantime accumulated.
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.This results mainly in the following advantages:
By including the system model, it is no longer necessary to equip each component whose service life is to be monitored with its own sensor system. As a result, the sensor effort can be reduced considerably.
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.Especially in the case of application in a vehicle, the vehicle models are already consistently as today CAD models in front. Also in motor vehicles of today's design are numerous Sensors for the control of various mechatronic components available. For vehicles with active chassis, sensors are for determining the time courses from Radnabenkräfte available. When the vehicle is usually a major part of Forces over the Wheel hubs introduced into the overall vehicle model. Another source of power is the drive of the vehicle. But here is one today electronic power control of the internal combustion engine available, the above has built-in sensors. Here are addressed crankshaft sensor, torque sensors. This Already existing sensors result in a complete detection of the in one Vehicle model each selectively introduced forces. By the inclusion of the vehicle model in the lifetime monitoring can from this existing sensor kit on the life of almost all Components or component groups are closed in the vehicle. Also on the life of such component groups, by the introduction of force are relatively far away. It is therefore necessary in the case of a modern vehicle no additional Sensors to one as possible full Life monitoring perform.
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.By accumulation of the stresses in load collectives and evaluation of the load collective can a residual life monitoring introduced and from the remaining life a maintenance profile for the observed System or the observed vehicle.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden ohne Einschränkung der Allgemeinheit anhand von zeichnerischen darstellungen näher erläutert.Embodiments of the invention will be without limitation the general public explained on the basis of drawings.
Dabei zeigen:Showing:
Beschreibung der Ausführungsbeispiele:Description of the embodiments:
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.For A calculation of the remaining life of a selected component is information about local Demands, ie time courses local forces, Tensions or strains required. Vehicles that produced in larger quantities are for cost reasons only with the minimal for equipped with the required set of sensors, so that sensors, the information about the mechanical stress individual components in daily Deliver operation, usually not available.
Im Folgenden soll anhand der
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.From the signals of existing vehicle sensors can directly or indirectly the time functions of the operational charges be determined. Using suitable models, e.g. by Modeling of a elastic multibody system can, under certain restrictions, from the time functions of the sensor signals local operational component stresses extracted and in the form of suitable classification methods be represented by stress collectives. A damage accumulation calculation should using geometry and cyclic material properties of the component (Wöhler line of the Component) the total damage of the component accumulate under the action of the respective stress collective and predict remaining life. A data store allows the recording of intermediate results and separates one time-consuming and memory-critical high-frequency data channel of Signal recording from a low-frequency (offline) data channel the evaluation.
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
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.The prediction of the component remaining service life it should be based on information that already exists Vehicle sensors during the operational use, as well as, using a suitable model, by a simulation of the associated component stresses respectively. Finally The determined component stresses are based on evaluated by material properties and a damage hypothesis.
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.A lifecycle observer, who accumulates the component-specific damage during vehicle use with the help of a model, is therefore functionally divided into three components:
Determination of system loadings: First, the various sensor signals available from the existing vehicle sensor system must be analyzed, evaluated and integrated in a signal pre-processing step. The aim here is to generate corresponding time profiles from the time sequences of the original sensor signals for a complete and consistent set of system loads.
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.This initially includes the standard methods a signal processing, such as the elimination of unwanted noise, the evaluation of the signal accuracy, the selection of relevant time windows or a frequency analysis with filtering and smoothing. In addition, in usually signals from different sensors correlated with each other and, if appropriate, the time course of a corresponding system load can be integrated.
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.Model-based determination of component loads: The system loads determined must be the model-based determination allow for local component-specific stresses. This only works if the set of system loads extracted from the vehicle sensor system the stimulation of a component-specific model is temporally consistent and completely describes and thus allows a simulation of the system behavior. By temporal integration of the model behavior under influence of the complete sentence the time-dependent System loads then become time courses of local component stresses determined. These component stresses can, for example, in the form of a Time course of local reaction forces, stresses or strains at the selected Component present.
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.The scope and system limits required for determining the component-specific stresses Hang model strong on the validity of the information from the available vehicle sensors for the considered component. In any case, the model must be the determination of stresses, the following an assessment of the injury allow the component in the context of an operating strength calculation. This must be the Component in the system model used with the help of a suitable behavioral description and using physical and geometric parameters be imaged.
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.Calculation of component damage: The evaluation of accumulated as a result of the experienced stresses component damage takes place, in the context of a fatigue analysis, by evaluation the stress time courses in a classical damage accumulation calculation. The time courses of the Stresses are first under targeted loss of information in collective workloads compressed. In principle freely selectable evaluation intervals can the accumulated in the meantime stress collective with Help of a suitable description of the sustainable use (e.g., a Wöhler line of the considered component) and a damage hypothesis to a in the evaluation interval incurred component damage or a forecast for the remaining life remaining to be integrated.
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.The direct observer principle is to stimulate the observer, who allows to simulate system behavior model-based, with the same stimulation as the system to be observed. By comparison In accordance with the system and observer output variables, the behavior of the observer model can be corrected in a control process on the basis of the real system behavior.
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.Due to the restrictions, the ones available in the vehicle Sensors for measuring and tracking the condition of the entire vehicle imposed, can be this principle for the model-based lifetime observation is usually not immediate realize. The suggestion of the considered system would have to be the same Completed be detected by the existing vehicle sensors, such as the to control the observer relevant system reactions. This requires a component-specific acquisition of state variables which, at least in a production vehicle, not necessarily available.
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
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.In the strict sense it could as part of the signal preprocessing, but should here as it is part of the complete Simulation model, than for model-based stress analysis belonging to be viewed as.
Umfang des benötigten SystemmodellsScope of the required system model
Der Umfang des zur modellbasierten Lebensdauerbeobachtung benötigten Umgebungsmodells hängt stark von der Aussagekraft der verfügbaren Fahrzeugsensorik für das betrachtete Bauteil ab.The scope of the model-based Lifetime observation needed Environment model depends heavily from the validity of the available Vehicle sensors for the considered component from.
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.Are those for the model-based lifetime observation needed a component Information immediately before, is given suitable preprocessing and integration of the sensor signals no actual environmental model needed. The more indirect but the vehicle sensor information about the State and behavior of the selected component provides, all the more this must be more extensive System model, whose simulation of the model-based lifetime observation this component is used. The outer interface of the needed Model is determined by the available vehicle sensors.
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.In the model-based lifetime observation are given from a given model using a physical model Set of signal time courses the vehicle sensor time courses generated local loads of a selected component. In This physical model is made up of subsystems which the model is composed of defines interactions, the i.a. from the states depend on the connected subsystems. In a mechanical system can this state-dependent Forces or the dynamics of the subsystems are constraining constraints. The actual state of the subsystems determines the interaction and thus the further temporal development of the linked subsystems. This physical structure of the interactions can on the one hand the necessary scope of the system model for determining the loads restrict a component, On the other hand, this results in minimum requirements for the required input signals.
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.Completeness condition: outgoing from the considered component all interaction chains traceable to model excitation be defined as the system loads from vehicle sensors is. The system loads that can be determined from the vehicle sensor system define model scope as the scope of the required model. A minimal required set of system loads results from the condition in the model, the interaction chains to the component with corresponding Model suggestions complete to be able to cover. This is to measure the different arrows in the illustrated model for different sets Illustrate system load. Areas of the system that on the Component non-reactive are not needed to be included in the model.
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.Causality condition: In principle, it would be conceivable by evaluation of an additional Sensors in an already fully determined by appropriate system loads We chain back to an impact chain that is not measured by an associated one System load is set. An example of this would be the inference from the sensor signals measured in the vehicle to the parameters an otherwise unknown route. However, this requires one Reversal of the cause-and-effect relationship within the model. Such an inverse model application containing the required interactions determined, which lead to a certain final state of the system, tracked an interaction chain is directed backwards in time and therefore leads usually on causality injuries. Additional measurement signals in one already complete certain chain of effects Therefore, do not be used to the lack of measurement signals to compensate in another chain of effects.
Modellbasierte Beanspruchungsermittlung
nach
MBS-Werkzeuge und virtuelles PrototypingMBS tools and virtual 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.The model-based stress analysis as a building block of a lifetime observer takes place with a system model based on the multibody dynamics. Complex multi-body systems (MBS), which are also electrical, hydraulic or pneumatic elements can contain are modeled, simulated with the help of appropriate tools and analyzed.
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.This is done in three sequential steps:
Preprocessing: In an MBS model, the mechanical structure of the system to be modeled is mapped into the body and its connections, which contribute significantly to the dynamic behavior of the system. Forced conditions at the connection points and forces between the bodies define the mobility of the individual elements. The description of the mechanical system is supplemented by parameters describing the properties of the bodies, the coupling elements and the spatial position of the coupling points, by depositing three-dimensional geometries for the graphical representation and by defining all input functions used.
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.Calculation: The used MBS tool supports not only the model generation, but also generates a System behavior descriptive set of differential equations, the under selection of different analysis options by means of optimized solved numerical method can be. These include Method for time integration of the system, for finding a static equilibrium, for frequency analysis, for investigation of parameter dependencies and codes generated for export.
Postprocessing: Im Analyseschritt können die numerischen Ergebnisse dargestellt (2D-Plots, 3D-Animation...), analysiert (Datenfilter, Extremwerte, FFT...) oder aus dem Werkzeug exportiert werden.Postprocessing: In the analysis step can the numerical results are displayed (2D plots, 3D animation ...), analyzed (data filter, extreme values, FFT ...) or from the tool be exported.
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.The use of tools for simulation mechanical systems is significantly expanded by integration this technique into a consistent, model-based Development process in which the various areas of system development are integrated.
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.Application-specific toolboxes (for example from the application areas of automotive, rail vehicles and robotics) can be re-used by predefined modules and submodels and drastically accelerate the construction of a model. By supporting interfaces between development tools from different subfields, developers can, by building and applying consistent and consistent models as virtual prototypes, perform the various development steps in an optimal environment. Depending on the requirements, the interfaces range from a simple or bidirectional data transfer based on files to an interactive coupling of two independent simulation tools (co-simulation):
By means of appropriate interfaces, MBS tools can exchange data with a CAD system bi-directionally or even be integrated directly into an existing CAD development environment, in order to transfer design and construction features (kinematic models, component geometries, mass parameters) of a component and directly based on it to evaluate a multi-body dynamic simulation.
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.Of particular importance for the model-based Lifetime observer is the possibility the model of a component from a finite element analysis by means of an interface in the modeling of mechanical behavior to integrate the entire system. This information about the structural elasticity of components from a FE analysis transferred into the MBS model, so that the nonlinear dynamics an arbitrarily shaped body can be simulated in a system even if for large deflections structural elasticities are of importance. Accordingly, determined reaction forces as Loads and boundary conditions used in the finite element analysis become.
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.In the sense of a continuous virtual Prototyping can mechanical and control engineering (CACE) systems in a common Environment can be integrated and simulated. This can be different Wise ways, so by replacing linear system matrices (A, B, C, D), by exporting the equations of motion or symbolic Code of the mechanical system model in the tool environment of the Control technology or by a co-simulation of the mechanical and control subsystems with interactive exchange of data.
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.By generating code and by support Special input and output formats can be the results of a virtual Prototyping or a mechanical simulation in another Environment, such as to support hardware and software test environments or aspects of durability already in the design of a product account to be able to.
Integration von Messdaten
und Simulationsmodellen anhand von
Das Gesamtmodell zur modellbasierten
Ermittlung der Bauteilbeanspruchungen muß an seinen Schnittstellen
zur Umgebung durch entsprechende Modellanregungen stimuliert werden.
In
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).
- The whole vehicle, which is excited in the real environment (road and track conditions, driver interaction) and, according to the available vehicle sensors, either the excitation of the entire vehicle itself or system loads detected in the form of vehicle-internal forces and moments,
- - A vehicle in the test bench, where either system loads in the form of internal forces and moments of the vehicle or else, by additional sensors, component stresses can be sensed directly,
- - the component under consideration in a test environment for which the corresponding component stresses are directly sensed and, in addition, the tolerable loads (in the form of Wöhler or life-time curves) can be determined,
- - the material properties of the component under consideration (eg in the form of synthetic Wöhler lines of a test piece).
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.The one for online lifecycle observation provided information flow is marked with arrows. The system model to determine local stresses must be determined by system loads, measured during operation on the real vehicle, stimulated. The evaluation of the determined stresses in a damage calculation requires additional Component-specific information about the tolerable for the component under consideration Strains, usually in the form of a parameterized SN curve available. The other illustrated possibilities of an information flow are natural for the Prototype implementation and verification of an online life observer also of great Meaning.
Modellbasierte Belastungsermittlung
und mögliche
Teilmodelle für
eine Lebensdauerbeobachtung anhand der
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.At the time of the draft of a Lifetime observation module for a selected component can be detailed information about available in the vehicle Sensors and the quality their signals are not available his. In particular, as a rule, no measured data will be available, be it from production vehicles in the daily Operation or even of measuring vehicles on special test tracks.
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.On the other hand, however, must also be considered be drawn that vehicles in the future with a variety intelligent mechatronic components, in which technologies of mechanics, electrics / electronics, control and information technology are integrated to the reliability, Availability, Improve maintainability and safety of the vehicle during operation. This includes a drastic extension of the sensors for monitoring the vehicle conditions.
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
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.The direct approach would be one Determination of loads required to operate the lifetime observation model are necessary, from sensor data measured on the component. It is because of that only possible, if at the time of the design of the lifespan observer for the considered Vehicle availability the corresponding sensor is ensured and measured data available.
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.A load determination on the Base of a model for the entire vehicle, it allows with the help of a simulation calculation for the Vehicle a variety of different sensor signals and thus variable Sets of Generate state and load information. This allows for the selected component different complex models for model-based stress analysis to be examined.
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.
- - Use of typical and representative suggestions for the entire vehicle model, covering the required amplitude and frequency range and reflecting the real operating conditions.
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.
- - Use of a verified complete vehicle model. It must be shown that the loads determined with the help of the model simulation can reproduce measured sensor signals over the bandwidth of the applied excitations.
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.As a rule, available complete vehicle models for specific Applications designed and only for these special applications Verified. The use of such models in the context of lifetime observation then requires extensive verification under the typical ones chosen for this purpose Stimulus patterns that cover the full breadth of a business use cover.
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.If these conditions are met, leave the effects of different sets of available sensor information for the Flexible inspection of the lifecycle observer module. In extreme cases, for example. the excitation of the entire vehicle model of the sensed load information for the directly correspond to the component to be observed. In the other extreme case The complete vehicle model directly delivers the demands of the to be observed component.
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.Be with the help of a complete vehicle model both the loads and the loads are model-based generated, the lifetime observer model of a component is more integral Part of the overall system description model in the sense of elastic multi-body dynamics. The loads to be determined for the lifetime observation of a component then provide model-internal interfaces between an 'environment model' and the actual one System model dar.
Simulationsmodell für ein Gesamtfahrzeug
nach
Randbedingungenboundary conditions
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.As part of a model-based online Lifetime observer should not and can not a specific vehicle model be developed and built. Rather, the CAD models available Models from the design and development phases of an existing one Vehicle are used.
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.The available CAD model of the vehicle is complete as a complete vehicle model and contains both Body, the e lastish body were extracted from NASTRAN models (FE modeling), as well as bodies whose geometric representations taken from CAD databases were. Its analysis and application therefore requires particular Tool-specific knowledge about the tool SIMPACK for MBS modeling a mechanical system and its interfaces to FE and CAD software packages.
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.The CAD model, however, contains neither an explicit model for the vehicle tires, still are specific in the database available Vehicle suggestions defined or present, whether in the form of Definition of a route with appropriate routing and vehicle connection or in the form of other time-dependent ones Excitation functions.
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.The following is the overall model the vehicle in its rough structure are presented to the possibilities an application of this model in the development of a model-based Lifetime observer for show the Hinterachsfahrschemel the vehicle.
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.
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.The model contains a total of 3 elastic bodies, the Hinterachsfahrschemel (body HAFS_el in the substructure HRFS) and the rear axle link (body steering wheel_el in the substructures HA_LI and HA_RE). The part models for this body were using appropriate FE modeling (in NASTRAN) with the help The FEMBS interface is extracted and accessed via file interfaces in imported the vehicle model. Accordingly, 5 geometric Part representations for the Vehicle body (Primitive FZG_Haut for the body FZG), the Hinterachsfahrschemel (Primitive HAFS_el_Cubid for the body HAFS_el), the integral carrier (Primitive Integraltraeger_geo for the body Integral carrier) and the handlebars of the rear axle (Primitive handlebar_el_CAD the body handlebar_el, each for the right and left rear axle) via an interface from appropriate CAD data generated.
Die in
Anregung des Modells über beliebige Zeitverläufe von RadnabenkräftenSuggestion of the Model over arbitrary time courses of wheel forces
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 ui(t) mit der Zuordnung aus Tabelle 1 definiert: Since there were no suggestions in the original complete vehicle model, 4 new forces that stimulated the model were defined (F_ANREG_HL, F_ANREG_HR, F_ANREG_VL, F_ANREG_VR). They attack from the inertial system at the centers of the individual wheels, so act as a force excitation on the hubs. They are defined as type 93 of the SIMPACK force elements (Force / Torque by u (t)) by excitation functions u i (t) with the assignment from Table 1:
Tabelle 1 Zuordnung der Funktionen ui(t) zu den RadnabenkräftenTable 1 Assignment of the functions u i (t) to the wheel hub forces
Über
Zeitanregungsfunktionen (T_Anreg_HL_inx, ..., T_Anreg_HL_iny, ...,
T_Anreg_HL_inz, ...) vom SIMPACK-Typ
Die Input-Funktion mit der Sequenz von Wertepaaren (tk, ui(tk)) 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).The input function with the sequence of value pairs (t k , u i (t k )) itself must be provided in a suitable form at a specific point in the model database. In simple cases, this input function can be generated manually (eg a staircase function). In addition, a simple MATLAB routine has been created that can generate more complex input functions in the required form (eg by superimposing sine functions of given frequencies and amplitudes with random phases at selected interpolation points of time).
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.This procedure makes it possible practically without restrictions, by copying corresponding input functions simulation runs under perform different excitation patterns, without each in the model even fundamental changes to have to make.
Verschiedene beispielhafte Simulationsläufe für das Modell unter Einwirkung zeitabhängiger Radnabenkräfte wurden durchgeführt, ihre Ergebnisse sollen aber hier nicht im Detail vorgestellt werden.Various exemplary simulation runs for the model under the influence of time-dependent hub forces have been performed, their results should not be presented in detail here.
Modellierung der Hinterachsemodeling the rear axle
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.The rear axle stool (HAFS) is as an elastic body modeled using the FEMBS interface directly from a FE modeling was extracted in NASTRAN. There are 5 eigenmodes taken with frequencies between 100 Hz and 300 Hz, so that respectively 5 initial values for the preload forces, the elastic coordinates and associated speeds for the reduced Partial model of the HAFS in the MBS system to be defined. In addition, 22 relevant, distributed over the entire geometry Node of the FE model as marker for the corresponding HAFS body in the MBS system taken over.
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.Accordingly, the submodel is the Handlebar for each of the right and left rear axles is modeled as an elastic body, extracted with FEMBS from a FE modeling in NRSTRAN. There were 2 eigenmodes with frequencies between 150 Hz and 350 Hz taken over. In addition, each 20 relevant, distributed over the entire geometry Node of the FE model as a marker for the corresponding handlebar body in the MBS system taken over.
Deutlich zu sehen sind in
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.The interface of the rear axle their environment is the result of the connection of the HAFS on the vehicle body, on the other hand, the wheels via a spring-damper force to the cylinder punch and over the stimulating wheel hub forces bound to the inertial system.
Teilmodelle für eine Lebensdauerbeobachtungpart models for one Life observation
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
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
Schädigungsberechnungdamage calculation
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 (
Die Zielsetzungen, Grundlagen und Vorgehensweisen einer Betriebsfestigkeitsanalyse wurden in der wissenschaftlichen Literatur mehrfach dargestellt und sollen hier nur zusammenfassend betrachtet werden.The objectives, fundamentals and Procedures of a fatigue analysis were used in the scientific Literature presented several times and shall only be summarized here to be viewed as.
Eine Berechnung der Bauteilschädigung beruht auf 3 sequentiell durchzuführenden Teilschritten:A calculation of the component damage is based to be performed sequentially on 3 Partial steps:
Akkumulation der Beanspruchungen in BeanspruchungskollektiveAccumulation of the stresses in stress collective
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.An operating life or service life calculation of a component subject to vibration must be based on a material behavior meaningful Description of all vibration stresses occurring during operation based. Usually receives these description forms by analysis and preparation of the determined time courses the stresses. You will be classified in single swing games and then compressed in the form of stress collectives. there targeted information is eliminated for a life cycle calculation not needed anymore become.
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.From the passage of time of a stress will be first extracting the sequence of upper and lower reversal points, where on information about the shape of the vibration amplitude and the frequency the vibrations is dispensed with. With an amplitude filter as data filter are also undesirable small or big Amplitudes eliminated (Omission, Truncation). By waiving information about the chronological order (sequence) of the reversal points is through statistical classifying and counting procedures achieved a drastic reduction of the data volume. One for the life cycle calculation appropriate description of a relevant Contains load sequence only the frequency of a given amplitude of the amplitude and mean So a two-parametric stress collective. Every turning point of the stress process is accumulated in a stress collective and increased the frequency of one Oscillation game from a predefined grid of possible amplitudes and mean values. The resolution the grid determines the effort required to store the collective, which therefore does not depend more on the accumulation time. there are different statistical counting methods common (One-parametric such as the class passage and the span pair method, Two-Parametric like the From Bis Count or the Rainflow Count.
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.The accumulation of stress time courses in Collective delivers via a defined evaluation algorithm a compressed description the stress process in the form of multi-parametric frequency distributions for the Amplitudes and mean values of the oscillatory cycles occurring in the stresses.
Parametrisierung der ertragbaren Beanspruchungenparameterization of the sustainable demands
Ein Wöhlerversuch ermittelt die bis
zum Schwingbruch bzw. zum Schwinganriß ertragbare Schwingspielzahl
N für eine
Schwingbeanspruchung beliebiger Amplitudenform, aber vorgegebener
Amplitude sa und festem Mittelwert sm. Die Wöhlerlinie
ergibt sich aus einer statistischen Auswertung aller bei Schwingbruch (Schwinganriß) gemessener
Schwingspielzahlen N als Funktion der Parameter sa und
sm (s.
Für
vorgegebene Ausfallwahrscheinlichkeit PÜ und
Amplitudenmittelwert sm wird der Bereich
der Zeitfestigkeit durch eine Kurve N (sA)
begrenzt, deren Form näherungsweise
durch
Bewertung der Beanspruchungskollektiverating the stress collective
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
Im Zeitfestigkeitsbereich der Wöhlerlinie ergibt sich so für jedes Lastspiel der Amplitude sa,i eine Teilschädigung von Di = 1/Ni, wobei Ni = N(sa,i) die ertragbare Schwingspielzahl aus der Wöhlerlinie für die Amplitude sa,i ist. Die Summation über ein n-fach gerastertes Beanspruchungskollektiv mit hi Schwingspielen im Raster i ergibt: In the time-stability range of the Wöhler line, the result for each load cycle of the amplitude s a, i is a partial damage of D i = 1 / N i , where N i = N (s a, i ) the sustainable number of oscillations from the Wöhler line for the amplitude s a, i is. The summation over an n-pitched stress collective with h i cycles in the raster i yields:
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 sa,i so selten (hi ist so klein), dass sie trotz der zugehörigen großen Teilschädigungen (1/Ni) nur einen geringen Beitrag hi/Ni zur Gesamtschädigung liefern. Kleine Amplituden sind sehr viel häufiger, können aber auch nur begrenzt zur Schädigungssumme beitragen, da die ertragbare Schwingspielzahl Ni nach der Wöhlerlinie extrem groß wird (in der Regel fällt die ertragbare Schwingspielzahl mit der 6. bis 8. Potenz der Amplitude sa,i ab). Im Bereich der Dauerfestigkeit tragen dann die sehr kleinen Amplituden überhaupt nicht mehr zur Schädigung bei.The damage D is the sum of the partial damage of each individual applied load cycle from the collective, while the life N indicates how many load cycles from the above collective can be tolerated until the oscillation breakage (or crack). As a rule, large amplitudes s a, i are so rare (h i is so small) that, despite the associated large partial damage (1 / N i ), they only provide a small contribution h i / N i to the total damage. Small amplitudes are much more common, but can only contribute to the damage sum to a limited extent, since the sustainable number of cycles N i according to the Wöhler line becomes extremely large (in general, the sustainable number of oscillations falls with the 6th to 8th power of the amplitude s a, i from). In the area of fatigue strength, the very small amplitudes no longer contribute to the damage at all.
Für Bauteile einfacher Geometrie, wie z.B. Probestäbe und gekerbte Stäbe, liegen eine Vielzahl von Messungen von Wöhlerlinien (NA, sA, k) für verschiedene Parametersätze (Beanspruchungsart, Pü, sm ...) 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.For components of simple geometry, such as test bars and notched bars, there are a variety of measurements of Wöhler lines (N A , s A , k) for different parameter sets (type of stress, P ü , s m ...). In addition, empirical methods exist to calculate Wöhler lines from material properties, to transform available Wöhler lines to a given parameter set or to adapt them to a given geometry by means of shape and notch effect numbers.
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.Specific tools for durability and damage calculation support Therefore, not only the determination of the amount of damage with a damage hypothesis, but by accessing material databases and algorithms for consideration the component shape and size the calculation of sustainable burdens.
Für die rechnerische Lebensdauerabschätzung eines Bauteils komplexer Geometrie und Aufbaus ist die für dieses Bauteil und seine spezifische Beanspruchung (Parameter Beanspruchungsart, Pü, sm ...) 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.For the computational lifetime estimation of a component of complex geometry and structure, the Wöhler line valid for this component and its specific load (parameter type of stress, P ü , s m ...) is required. As a rule, this component selector line must be derived from Wöhler lines for small samples, taking into account size and surface influences of geometric, statistical, technological and surface-technical nature.
Dies soll
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
Werkzeugkettetoolchain
Der in den vorigen Kapiteln dargestellte
Prozess für
eine modellbasierte Lebensdauerbeobachtung eines ausgewählten Bauteils
ist vorzugsweise auf der Basis einer geeigneten Werkzeugumgebung
zu realisieren.
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.Basic tool is a tool for Generation and simulation of mechanical multi-body models. With your help can Created, simulated, tested and validated system models as 'virtual prototypes' be that realistic to reproduce the behavior of a physical system. The dynamics, internal forces and the vibrational behavior of the virtual prototype can be detailed be analyzed and optimized. The most common tools (SIMPACK and ADAMS) have interfaces to other CAD / CAM / CAE tools, in the virtual prototype partial models, model geometries, component elasticities, control engineering To incorporate elements and metrological stimuli in other, developed tool environments adapted to the particular problem were.
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.For the design of vehicle components become FE models of a component used for (linear or nonlinear) structural analysis. through FE program systems, such as ABAQUS, ANSYS or NASTRAN, become equivalent Models generated, for example, in static strength analyzes the Deformation and mechanical stress, in modal analyzes the natural frequencies and forms and in dynamic analyzes the vibration behavior to examine and evaluate the component.
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.Programs for fatigue analysis like FALANCS, FEMFAT or MSC / FATIGUE can be used to communicate with measured or model-based generated descriptions of local Stresses and cyclical material parameters local individual damage of a considered component to determine and a remaining life remaining to forecast.
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.The integration of behavioral descriptions a mechatronic system by analyzing different aspects in a tool environment adapted to the respective problem were created, to a virtual prototype allows it, already at an early age At the time of system development, the fulfillment of the requirements to verify, analyze and demonstrate system behavior to document. economical and in a short time you can examined on the basis of virtual prototype design variants and be optimized. However, this is only possible if it succeeds various tools used by suitable interfaces to integrate into a closed tool environment.
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.In the project 'online lifecycle observers' will not be project-specific Models are developed, rather, on already available models resorted so that within the project no free choice of which to use Modeling tools exists more. As in Chap. 0 described, the overall vehicle model used is available as a SIMPACK model, in that both elastic body, whose description was extracted from NASTRAN models as well geometric representation from CAD databases are integrated.
FEMBS/LOADS-Schnittstelle von SIMPACK zu FE-WerkzeugenFEMBS / LOADS interface from SIMPACK to FE tools
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.FEMBS is an interface program between program systems for finite element analysis and for multibody dynamics simulation, the input data flexible body for the MBS system selected and generated. This link is not just done in the form of a pure data transfer, but requires the calculation additional physical quantities for the nonlinear MBS model. While FE programs the movement of complex flexible structures through a size The number of nodal coordinates is described in MBS programs Dynamics of elastic bodies by a rigid body movement modeled, superimposed by small elastic deformations becomes. These elastic deformations are considered a superposition of a few, usually FE modes pre-calculated, eigenmodes described.
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.The used eigenmodes are taken from an FE modal analysis of the free structure. As homogeneous solutions only describe the vibrational behavior of the elastic body then correctly, if the acting loads no local deformations effect at the force introduction points. The inclusion of static Loads at the force introduction points into the eigenmodes (, static modes') in the superposition of elastic deformations very many partly high-frequency eigenmodes. In FEMBS, however, are based on the chosen one free natural oscillations so-called frequency response modes used. With these eigenmodes, the harmonic forces at the force introduction points consider the elastic structure, can the elastic body very few eigenmodes very effectively connected to the surrounding MBS structure become.
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.The coefficients of the equations of motion for the elastic body arise from time-independent Volume integrals, which are calculated once in the interface and in the form of development coefficients (in deformation) up to 2nd order stored as Standard Input Data (SID) in a file become.
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
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.FEMBS generates in interaction with the user in 5 sequential steps (see Table 2) a reduced Model of the selected elastic body in the form of a SID file whose format is also described in. When building the model, it is interpeted by the SIMPACK preprocessor and defines an elastic body in the MBS model.
Tabelle 2 : Schrittweises Vorgehen in der FEMBS-Anwendung Table 2: Step-by-step procedure in the FEMBS application
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
Werkzeuge zur SchädigungsberechnungTools for damage calculation
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.
- - preparation and compression of local stresses to which the component is subjected at its critical cross sections;
- - Provision of cyclic material parameters taking into account the component shape;
- Accumulation of damage using a corresponding physical or empirical approach.
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.
- - support and processing of various forms of presentation for the incoming claim information (time courses, collectives, Rainflow matrices);
- - Availability of different variants of the mineral rule for damage accumulation according to the nominal stress concept (stress-based damage calculation);
- - Availability of different sub-modules for damage accumulation according to the local concept (strain-based damage calculation, crack propagation calculation);
- - Availability of databases for the component selector line and cyclic material parameters;
- - consideration of multi-axis loads and different environmental conditions;
- - Connection to FE and MBS modeling tools and software for test bench control;
- - Possibilities for graphical or file-based presentation and documentation of the results.
FEMFATFEMFAT
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 ...).FEMFAT is a software package for damage analysis, based on the results of a FE analysis. interfaces to MBS software packages and to the test bench control (RPC format) are also available. The damage calculation in FEMFAT based on the determination of S / N curves (Wöhler lines) at the individual nodes of the FE model, that is the sustainable number of oscillatory games as a function of the applied voltage amplitudes, which are determined by the Stresses and the respective local behavior of the component depend. A variety of expansion modules allows the use of FEMFAT for specific use cases (multiaxial stresses, welding points ...).
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)
- - import of information about the FE model of the component; Geometry data of the component (nodes and elements) Acceptance in the FE model of defined groups
- - import of node-related stress information from the FE model;
- - generating the required material data; Import from FEMFAT database or generation from basic parameters
- - import or generate a claim description; Rainflow spectra
- - Damage calculation to the nodes of the current group; Consideration of relevant influences (surface roughness, treatment) Selection of the analysis and influencing factors (stress gradients, surface, spots, welding ...) Selection of the output data (graphical representation, file output for FE postprocessing)
WAFO-Toolbox für MATLABWAFO toolbox for 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.WAFO (Wave Analysis for Fatigue and Oceanography) is a toolbox for Matlab with individual routines for statistical analysis and simulation of random waves and burdens that are significant at the institute for mathematical Statistics of Lund University in Sweden was developed. The Individual routines (m-files) of the toolbox, depending on the application in different Subdirectories include, inter alia, the analysis measurement data by determining parameters in statistical distributions, a variety of oceanographic applications, but also routines for one statistical damage analysis, general tools for statistical evaluations and graphic representations.
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.Some of the modules (SPEC, TRGAUSS, WAVEMODELS and MULTIDIM) were used for specific oceanographic Applications developed, other modules such as CYCLES, MARKOV and DAMAGE contain the essential applications for a damage calculation. These include u.a. tested and efficient algorithms for inverse point extraction and rainflow filtering, for the determination of excess frequencies, Minimum-maximum cycles and rainflow cycles, for the conversion of cycles in matrices and histograms, for extrapolation and smoothing of Rainflow matrices, for generating rainflow matrices from Markov models, for damage calculation from cycles and from matrices, as well as for the simulation of random loads. Table 3 shows a summary overview of the application areas of the for the damage calculation relevant submodules from the WAFO toolbox.
Tabelle 3 Für die Schädigungsrechnung relevante WAFO-Teilmodule Table 3 WAFO submodules relevant for the injury calculation
Umsetzungskonzepte zur Online-LebensdauerbeobachtungImplementation concepts for Online life observation
Trennung von Aufzeichnungs- und AuswertekanalSeparation of recording and evaluation channel
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.Regardless of whether the investigation the operational demands of a selected component directly measured can be or model-based, can be a vehicle module for online lifetime observation of the component in two separate Separate subsystems, each with fundamentally different requirements subject.
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.A subsystem must be the interface represent to the vehicle sensors in which in high-frequency repetition rates current state information about the vehicle is present. Physically, this interface is in usually as a connection of the life observer to a vehicle data bus be realized. Under real-time requirements, the original sensor information must be processed and evaluated, both in the form of a with 'intelligent sensor' integrated units of sensor element, signal processing and A-D conversion or by transmission digital sensor data via the bus with subsequent Data preparation and integration in a separate module can. In any case, this unit is subject to the recording channel of the total lifetime observation module, the real-time requirements the vehicle sensor.
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.The second subsystem is used for processing the output data of the recording channel for a lifetime prediction of the selected Component. The damage calculation is based on the evaluation of component stresses that accumulate over extended periods of time are therefore not subject to the real-time requirements of the Recording channel. The calculation of a lifetime forecast can thereby cyclically (hourly, Every day ...) in predefined 'maintenance intervals' or event-driven (after completion of a Drive, when a predefined or critical operating condition occurs) respectively. In any case, the calculation cycles are in this value channel significantly larger than the cycles with which provided new data in the vehicle sensors become.
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.
- - necessary computing power in the recording channel (under real-time requirements);
- - necessary storage space in the interface recording and evaluation channel;
- - necessary (communication) effort for data transmission over the entire process;
- - permissible loss of information in the data transmission from the recording channel to the evaluation channel.
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 The following procedures are proposed for the implementation:
The various approaches are summarized in Table 4 and are grossly evaluated for the influential factors. The essential feature of a procedure is whether the model-based determination of the claim takes place in the recording channel (stress-based procedures) or in the evaluation channel (load-based procedures). The compression of the information before the transfer from the recording to the evaluation channel can be carried out directly (without information loss), by Fourier transformation in power density spectra (loss of phase information) or by formation of collectives (loss of sequence and phase information). Here are two extreme cases to briefly summarize the main approaches are treated: Table 4: Procedures for online lifecycle monitoring and their evaluation
Direkte Vorgehensweise (beanspruchungsbasiert mit Kollektivbildung):Direct procedure (stress-based with collective formation):
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.The signal preprocessing and the Model-based determination of the stresses are used in this procedure executed in the recording channel under real-time requirements. This requires there, especially if to determine the stresses Models with many degrees of freedom are required, very much Computing power. From the different variants for compression and accumulation of the determined stress time courses here the one used, the stress collective, as minimal for the damage calculation necessary information, about transfers the data memory to the evaluation channel. There you can accumulated collective load after expiry of a maintenance interval be evaluated.
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.The available information then suffices however, only out to a summary damage assessment for the maintenance interval perform. A detailed (eg model-based) analysis of a damage-relevant Single event is not with this information in the evaluation possible.
Belastungskomprimierung (belastungsbasiert mit direkter Komprimierung):load compression (load-based with direct compression):
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.In this implementation concept, as complete Description of the system load, the timings of the preprocessed and integrated sensor signals by means of a suitable, effective Compression algorithm to be cached directly to so that the information channel of the record of that of Separate evaluation. This relieves the data logging of the workload for the model execution under real-time requirements, but requires, depending on the effectiveness of the data compression, sufficient space. In the evaluation channel is then, but after one Data decompression, the complete information about the time courses the individual system loads available. In the model-based Determining the stresses that are here without real-time requirements can be done in the evaluation channel, therefore Even complex and complex models are used.
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.On the basis of the full description the system loads can in the evaluation, both the system models used modified and adapted to the requirements, as well as various approaches to damage calculation can be used and compared.
Vorgehensweise unter Verwendung von Standardnutzungsfällenmethod using standard usage cases
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.In all the procedures mentioned in the previous section will the injury of the selected component with the help of available information about calculated the current state of the vehicle. Prior knowledge of the Component damage, e.g. under standardized load sequences or under use the vehicle at repetitive operating conditions, will not used.
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.The goal of the procedure under Use of standard usage cases is it, damage relevant To use foreknowledge for a part of the operating time a simplified damage calculation perform, so the limited resources of computing power and storage space for those Operating hours available stand for the a prior knowledge not available is.
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.The damage-relevant prior knowledge may, for example, from information about the operational use and the associated one damage behavior of the selected Component come from comparable or identical vehicles. It can also be made from bench tests a corresponding vehicle prototype or during the Development phase of the vehicle with the help of simulation calculations for a suitable vehicle model has been generated.
Standardnutzungsfall (Use-Case) und im Vorfeld ermittelte SchädigungsrateStandard use case (use case) and pre-determined injury rate
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.The damage-relevant prior knowledge combines a defined vehicle usage with an associated damage rate for the considered component. In advance, the load / stress curves or collectives who use a vehicle in the standard use case occur in a model-based stress assessment and / or a component-specific damage calculation be integrated into a damage rate associated with this use case.
Damit ergibt sich die Vorgehensweise
aus
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.As long as the signals from the vehicle sensor or the time courses the system loads for the vehicle will display a standard usage case (USE-CASE) the associated damage relevant Previous knowledge in the form of a for In this case of use, the damage rate used to generate a perform greatly simplified damage accumulation. It therefore requires as little a model-based stress analysis and component-specific Damage calculation, like a complicated storage of information for the separation of Recording and evaluation channel.
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.The resources of computing power and storage space is then almost complete for those operating hours to disposal, in which the system load for the vehicle does not display a standard use case. For this purpose, depending according to design, the various described in the previous section Implementation concepts (from the direct procedure to the compression loads) for exceptional (non-standard) use and especially damage-relevant To capture events in detail.
Identifikation der Standardnutzungsfälle (Use-cases)Identification of standard use cases (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.A standard use case (use case) is as a specific sequence of external stimuli of a system defined, which occur at predetermined times. This can e.g. as a consequence of predefined road sections and routing conditions and described as a sequential sequence of actions of the driver his. The system responds to these suggestions, in which the observable sensor signals from an initial value in a defined Change the time.
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
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.
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.As long as no external stimulus for the system occurs, which deviates from the procedure defined in the use case, runs the temporal development of the system along the defined in the use case Nominal behavior. Are the external suggestions not completely detectable, must checked every time whether each sensor signal is still within the defined in the use case Value range is located. If this is no longer the case, the system behavior becomes of the nominal behavior of the use case deviate and a predetermination of the injury rate impossible.
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.The approach by means of standard usage cases becomes then particularly effective when long-term operational periods of use occur in which very few and only limited to the system dynamics impacting external stimuli occur. The system will then transition to a quasi-steady state and in this state to a highly localized subarea limit in the space of the sensor signals.
Zwei exemplarische Beispiele für Standardnutzungsfälle sollen hier erwähnt werdenTwo exemplary examples of standard usage cases are intended mentioned here become
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 standard use case, "standstill while the engine is running "remains the vehicle at a standstill, without external intervention, left to itself. The vehicle sensors will be the transition in a quasi-stationary state Show that practically independent from the prehistory becomes. This operating case makes a not insignificant Share of the total useful life of a vehicle, at the same time can, for example, in test bench tests, in the apron of the operational use a lot of knowledge about the damage of the considered component are generated.
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.In a standard use case, highway travel 'is based on the available Vehicle sensor system recognized a highway ride (for example, the measured Driving speeds over a longer one Period at a large mean speed and a small fluctuation range demonstrate). Again, in the run-up to operational use can be very a lot of knowledge about the damage of the considered component are generated. So can on the basis of for a highway ride typical route profiles and driver activities an averaged injury rate for the Component to be determined.
Adaption der StandardnutzungsfälleAdaptation of the Standard use cases
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.A significant advantage that the Approach under consideration predefined standard use cases with brings, is the possibility the definition of standard use cases to the existing basis damage-relevant To adapt to prior knowledge. The current injury rate in a standard usage case results from an averaging over the damage rates the values of the different types permitted in the case of use at that time Sensor signals.
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.If you have little previous knowledge, you will to specify only a few 'gross' use cases can, the relatively large one allowed Include areas in the space of the sensor signals. The over this Ranges averaged damage rate provides accordingly only a rough estimate for the expected total damage. Corresponding is for a big Part of the total usage time a detailed damage analysis in the event channel be performed on the basis of current values of the sensor signals have to.
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.If you gain an improved base from the operational use of comparable vehicles For damage-relevant prior knowledge for the component under consideration, refined standard usage cases can be specified. Since in each standard use case only a defined course of the damage rate has to be stored for the damage analysis, the module for lifetime observation of a component can easily be adapted to a more refined specification of the standard use cases.
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).The integration of the damage-relevant Prior knowledge in which by analyzing the sensor information time periods standardized Use with predefined damage behavior for the considered component, allowed over the total usage time a flexible mixture of a simplified injury determination (with corresponding uncertainty) and a detailed model-based damage calculation (with corresponding need for storage space and computing power).
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 ...).So is with appropriate prior knowledge For example, conceivable, the use case, standstill with the engine running 'with the idle speed to parametrize and store speed-dependent damage rates. Corresponding could the standard use, highway driving ', if appropriate prior knowledge is available, dependent be refined from one parameter into multiple use cases (ranges the driving speed ...).
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.Since the standard use cases are from a defined sequence of external suggestions they are not component-specific. So the specification of use cases can be considered when considering another Component taken over it will have to be but a component-specific damage information deposited become.
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