Entwicklung eines wissensbasierten lnformationssystems zur rechnerischen Lebensdauervorhersage

H. Oppermann

Herrn Prof. Dr.-lng. Otto Buxbaum zu seinem 60. Geburtstag gewidmet.

Die Fahrzeughersteller versuchen den1 zunehmenden Konkurrenz- druck auch durch kurzere Entwicklungszeiten und reduzierte Ent- wicklungskosten zu begegnen. Um dieses Ziel zu erreichen, bedarf es neuer Entwicklungswerkzeuge, mit denen insbesondere der ex- perimentelle Entwicklungsaufwand reduziert wird. Mit der Mog- lichkeit. zuverllssig die Lebensdauer rechnerisch zu bestimmen, lieBe sich die Versuchsphase der Bauteilentwicklung verkurzen. In solche Rechnersirnulationen rnussen die innerbetrieblichen Er- fahrungen, Bewertungsregeln, Fakten. Versuchsergebnisse und die bewlhrten Rechenmethoden einflieflen. In Zusammenarbeit mit der Adam Opel AC in Russelsheim hat das Fraunhofer-Institut fur Betriebsfestigkeit das wissensbasierte Informationssystem FA- LZXS (FAtigue LIfe Expert System) zur rechnerischen Lebensdau- ervorhersage von Fahrzeugteilen entwickelt, ein wirkungsvolles Entwicklungswerkzeug zur betriebsfesten Bauteilbemessung.

Development of a Knowledge Based Information System for Fatigue Life Prediction Summary

The automotive manufacturer oppose the increasing competition with shorter development times and reduced costs. For this new development tools are necessary specially for the reduction of the experimental development expenditure. If computer aided fa- tigue life prediction methods supply reliable fatigue life values the experimental stage of development can be reduced. These com- puter simulations have to include internal experiences, of compa- nies rules of improvement, facts, experimental results and the pro- ved calculation methods. Together with the Adam Opel AG in Rus- selsheim the Fraunhofer-lnstitut fur Betriebsfestigkeit has develo- ped the knowledge based information system FALIXS (FAtigue LIfe Expert System) for fatigue life prediction of automotive com- ponents. It is an effective tool for the design of fatigue resistant structures.

1 Einleitung

Die Qualitat der rechnerischen Lebensdauervorhersage hangt - unabhangig von der Zuverlassigkeit der eingesetzten Methoden - vor allem von der Giite der in die Lebensdauer- berechnung eingebrachten Beanspruchungs- und Festigkeits- werte sowie von der Erfahrung des jeweiligen Anwenders in der rechnerischen Lebensdauervorhersage ab.

Die Betriebsfestigkeitsfachleute eines Unternehmens miis- sen beispielsweise in der Lage sein, die Auswirkungen der einer Rechnung zugrundegelegten Annahmen, der Versuchs- methoden, mit denen die Festigkeitswerte ermittelt wurden, insbesondere der qualitativen Abweichungen zwischen Ver- suchs- und Realitatsbedingungen sowie zwischen Prototyp und Serienprodukt und schliefilich der verwendeten Vorher- sageverfahren auf die Lebensdauer der Bauteile im Kunden- einsatz zu beurteilen.

Die Abstutzung auf Erfahrungswissen firmeninterner Fach- leute birgt Risiken fur ein Unternehmen, Abb. I , die in der Praxis durch Redundanz in organisatorischer, personeller und technischer Hinsicht vermindert werden. Die Kosten ei- ner solchen Redundanz sind allerdings erheblich.

Die Entwicklung von sog. wissensbasierten Informations- systemen eroffnen fur die betriebsfeste Bemessung neue Mog- lichkeiten. Wissensbasierte Informationssysteme arbeiten nicht nur mit Algorithmen, sondern erlauben die Suche nach Problemlosungen auf der Grundlage von Entscheidungs- regeln und einer erweiterten Wissensbasis. Sie erlauben ihm im Gegensatz zu herkBmmlichen deterministischen Verfahren

individuell die Problemlosungsstrategie zu steuern und den Wissensgehalt im System zu vergroRern.

In Zusammenarbeit mit der Adam Ope1 AG in Russelsheim hat das Fraunhofer-Institut fur Betriebsfestigkeit das wissens- basierte Informationssystem FALIXS (FAtigue LIfe Expert System) zur rechnerischen Lebensdauervorhersage von Fahr- zeugbauteilen entwickelt.

2 Entwicklungsziele

Mit FALIXS sollte ein Hilfsmittel geschaffen werden, das in allen Phasen der Entwicklung von Fahrzeugbauteilen die best- mogliche Vorhersage iiber die zu erwartende Lebensdauer der versagenskritischen Bereiche des Bauteils liefert:

in der Konzeptphase beim Vergleich verschiedener kon- struktiv moglicher Varianten,

0 bei der Auswahl der Werkstoffe und Fertigungsverfahren, 0 bei der Detailkonstruktion und

beim Betriebsfestigkeitsnachweis vor der Serienfreigabe. Urn dies zu erreichen wird im System das Erfahrungswissen

von Konstrukteuren, Berechnungs- und Betriebsfestigkeits- fachleuten in Form von Regeln und Fakten gesammelt und bereitgestellt. Diese Wissensbasis umfaRt sowohl das Erfah- rungswissen iiber Zusammenhiinge zwischen statischen Werkstoffestigkeitswerten, Fertigungsarten, Obefflachenbe- arbeitungen, Oberflachennachbehandlungen, Fugeverfahren, Umgebungseinfliissen U.S.W. einerseits und dem Schwingfe-

450 0933-5 137195/0808-0450$5.00 + ,2510 Mat.-wiss., u. Werkstofftech. 26, 450458 (1995) 0 VCH Verlagsgenellschaft mbH, D-6945 I Weinheim, 1995

stigkeitsverhalten andererseits, als auch quantitative Angaben uber den EintluR der Belastungshiiufigkeiten und unterschied- liche Einsatzprofile im Fahrbetrieb sowie uber die Treffsi- cherheit unterschiedlicher Lebensdauervorhersagemethoden in unterschiedlichen Anwendungsf'll '1 en.

Der Einsatz des wissensbasierten lnformationssystems und damit der Zugriff auf abgesichertes, systematisch aufbereite- tes Wissen wird, s. auch Ahh. 2, 0 zu schnellen und sicheren nachvollziehbaren Aussagen

uber die Lebensdauer von Fahrzeugbauteilen und damit zur Einsparung teurer und zeitaufwendiger Versuche in der Vordimensionierungs- und Optimierungsphase, d.h. zur Reduzierung der Entwicklungszeiten und -kosten,

0 zur einheitlichen Bewertung und Verbesserung der Verfah- ren und Methoden

Abb. 1. Betriebsfestigkeitsnachweis durch Erfahrungswissen - Risiken fur ein Unternehinen - Fig. 1. Risks for companies in fatigue life proof including empirical knowledge

und letztlich zur weiteren Optirnierung der Lebensdauer bzw. der Belastbarkeit von Bauteilen und Komponenten fuhren.

3 Anforderungen

Bei der Entwicklung von FALIXS waren einige grundlegen- de Anforderungen zu erfullen: 0 in FALIXS sollen nur Lebensdauervorhersageverfahren, fur

die bereits Erfahrungen uber ihre Zuverlassigkeit vorlie- gen, einbezogen werden, z.B. das Nennspannungs- und das Kerbgrundkonzept sowie die Miner- und Relativ-Mi- ner-Regel.

Abb. 2. Entwicklungsziele von FALIXS Fig. 2. Aims of FALIXS

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0 FALIXS sol1 irn Anwendungsfall die Lebensdauer rnit der hochstmiiglichen Zuverlassigkeit berechnen. Aus dieser Forderung ergab sich die Notwendigkeit, ein Konzept zur Bewertung der Zuverlassigkeit der Lebensdauervorher- sage zu entwickeln.

0 Besonderer Wert sol1 auf die Einbeziehung firmenspezifi- scher Vorgehensweisen und Erfahrungen bei der Lebens- dauervorhersage gelegt werden.

0 Alle fur die Lebensdauervorhersage notwendigen Bean- spruchungs- und Festigkeitskenndaten sollen aus einer FALIXS-unabhangigen Datenbank zur Verfiigung gestellt werden.

0 Anderungen des Fachwissens in FALIXS sollen in weiten Bereichen ohne Programrnierkenntnisse und die Hinzuzie- hung von EDV-Experten moglich sein.

Versuchsdaten EIzJ-

4 Aufbau und Arbeitsweise des lnformationssystems

4.1 Zur Problematik der rechnerischen Le bensdauervorhersage

Urn das Vorgehen von FALIXS zur rechnerischen Lebens- dauerabschatzung zu verstehen, folgt ein kurzer AbriB der Problernatik der rechnerischen Lebensdauervorhersage.

Jede rechnerische Lebensdauervorhersage stellt eine Ab- stimrnung zwischen den wahrend der Nutzungszeit an einern Punkt der Konstruktion auftretenden und den ertragbaren Be- anspruchungen dar. So einfach diese Vorgehensweise auch erscheint, EO schwierig und rnit vielen Unsicherheiten behaf- tet stellt Fie sich in der Praxis dar.

Ohne Anspruch auf Vollstandigkeit und ohne auf Einzelhei- ten einzugehen, sind in Ahb. 3 einige wichtige Ursachen fur die Ungenauigkeiten der rechnerischen Lebensdauervorhersa- ge zusamrnengestellt.

Unsicherheiten konnen schon beim betrachteten Bauteil durch die Frage nach den versagenskritischen Stellen und

, r MeOdaten j Versuchsverfahren MeOverfahren Auswertemethoden

abgeschatzte i Lebensdauer Abb. 3. Mogliche Ursachen fur Ungenauigkei- ten der rechnerischen Lebensdauervorhersage Fig. 3. Problems in fatigue life prediction

Abb. 4. Grundsltzliches Vorgehen zur rechne- rischen Lebensdauervorhersage Fig. 4. Principal actions in fatigue life prediction

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deren schwingfestigkeitsi-elevanten EinfluBgrBBen auftreten. Bei den Schwingfestigkeitsdaten stammen die Unsicherhei- ten meistens aus den Unterschieden zwischen den Bauteilen und den Versuchslasten sowie den experimentellen Vorge- hensweisen zur Ermittlung der Versuchsdaten, der Auswer- tung der Versuchsdaten zur Bestimmung der Festigkeitskenn- werte und den LU ihrer Berechnung eingesetzten Methoden. Bei den Beanspruchungen sind es die Unterschiede zwischen den Bauteilen und den Betriebslasten sowie die MeBmetho- den, die MeBdaten, die Auswertmethoden zur Bestimmung der Beanspruchungskennwerte und den zu ihrer Berechnung eingesetzten Methoden. Bei den Lebensdauervorhersagever- fahren sind in erster Linie die Schadensakkumulationshypo- thesen und -annahmen mit Unsicherheiten behaftet. SchlieB- lich konnen sich erhebliche Unsicherheiten aus der Streuung der Betriebslasten und bei der Serienfertigung ergeben.

Wegen der vielen miiglichen Ursachen fur Ungenauigkeiten bei der rechnerischen Lebensdauervorhersage ist es notwen- dig, die Zuverlassigkeit einer rechnerisch abgeschatzten Le- bensdauer zu bewerten. Hierfur ist umfmgreiches Fachwis- sen in der Betriebsfestigkeit erforderlich. Zur Losung der Auf- gabe, Abb. 4, werden fahrzeug- und bauteilspezifische Kenn- daten benotigt, uni aus den verfugbaren Bemessungsgrundla- gen zutreffende Beanspruchungs- und Festigkeitskennwerte auszuwahlen und diese erforderlichenfalls mit zutreffenden Methoden auf den Anwendungsfall umzubewerten. Es mu13 gepriift werden, wie zuverlassig die Kennwerte und Bewer- tungsmethoden sind und welche Lebensdauervorhersageme- thode im vorliegenden Fall geeignet ist. Mit der zuverlassi- gen Kombination von Methoden und Kennwerten wird die Lebensdauerberechnung durchgefuhrt. AbschlieBend wird die Zuverlassigkeit des Rechenergebnisses unter Einbezie- hung der Beanspruchungs- und Serienstreuung bewertet. Das Ergebnis wild umfassend dokumentiert und die Vorge- hensweisen erklart. Aus dieser Vorgehensweise ergibt sich auch die Aufgabe bzw. Funktionsweise eines wissensbasier- ten Informationssystems zur rechnerischen Lebensdauervor- hersage.

4.2 Prinzipieller Aufbau eines wissensbasierten lnformationssystems

Der prinzipielle Aufbau eines rechnergestutzten wissensba- sierten Informationssystems ist beispielhaft fur FALIXS in Abb. 5 gezeigt. Die wichtigste Komponente des Systems ist die Wissensbasis. Sie enthalt das Wissen uber ein eng um- grenztes Arbeitsgebiet, ihre Einzelkomponenten sind die Me- thoden- und Faktendatenbank. Die Auswertung des Wissens sowie die Steuerung des Systems ubernimmt die Problemlo- sungskomponente. Ihre wichtigsten Aufgaben sind

Analyse der Anwendervorgaben, 0 Auswahl und Bewertung von Daten und Methoden, 0 Ausfuhren der Methoden, 0 Zuverlassigkeitsbewertung des Vorhersageergebnisses, 0 Protokollierung und Dokumentation des Vorgehens und des

Ergebnisses. Das Wissen der Wissensbasis kann mit der Wissenserwerb-

komponente verandert werden. Neues Wissen kann hinzuge- fugt und bestehendes Wissen geloscht werden. Die Erkla- rungskomponente unterstutzt den Anwender bei der Bedie- nung des Systems durch Hinweise, Erklarungen der Vorge- hensweisen, Daten und Methoden und begrundet die gefun- dene Losung. Die Kommunikation zwischen Anwender und

Abb. 5. Aufbau eines wissenbasierten Informationssystems Fig. 5. Principal structure of a knowledge based information sys- tem

System ubernimmt die Dialogkomponente. Uber sie spezifi- ziert der Anwender das Bemessungsproblem. Zur Dialogkom- ponente zahlt auch die Benutzeroberflache.

4.3 Prinzipielle Vorgehensweise des lnformationssystems

Die Vorgehensweise von FALIXS zur Problemlosung ist vielfaltig und hangt von den jeweiligen Randbedingungen des Einzelfalls ab. Der grundsatzliche Ablauf bei einer rech- nerischen Lebensdauervorhersage ist in Abb. 6 dargestellt.

Nach dem Aufruf des Expertensystems beschreibt der An- wender menugefuhrt das Bauteil. Zur Beschreibung gehoren belastungs- und schwingfestigkeitsrelevante Kenndaten wie 2.B. Fahrzeugtyp, Baugruppe, Bauteilbezeichnung, Art der versagenskritischen Stelle, Angaben zur Fertigung, Geome- trie, Werkstoff, Oberflache, Umgebung. Diese Angaben wer- den benotigt, um die Datenbank nach zutreffenden Beanspru- chungs- und Festigkeitskennwerten zu durchsuchen. FALIXS bietet dann zutreffende Beanspruchungen dem Anwender zur Auswahl an; denn verallgemeinerungsfahige Richtlinien fur die Bewertung der Zuverlassigkeit von Beanspruchungen im Hinblick auf die rechnerische Lebensdauervorhersage lie- gen bisher kaurn vor. Nach der Beanspruchungsauswahl sucht FALIXS zutreffende Schwingfestigkeitskennwerte. Die Wis- sensbasis liefert die fur den Anwendungsfall geeignete Le- bensdauervorhersagemethode. Die Schwingfestigkeitskenn-

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Abb. 6. Auswahl und Rewertung der Daten und Methoden i n FALIXS Fig. 6. Selection and improvement of methods and data in FALIXS

werte, deren Uinrechnungsmethoden und die Lebensdauer- vorhersagemethoden werden anschlieBend gemeinsam im Hinblick auf ihre Zuverlassigkeit bewertet. Die Kombination mit der hZichsten Zuverlassigkeit wird zur Lebensdauerbe- rechnung herangezogen. Nach der ggf. erforderlichen Um- rechnung der Schwingfestigkeits- und Beanspruchungskenn- werte wird die Lebensdauer berechnet und deren Zuverlassig- keit unter Einbeziehen der Unsicherheiten der Beanspru- chungskennwerte und der zu erwartenden Serienstreuung nach den in Abschnitt 4.5 erlauterten Kriterien bewertet. Das Ergebnis wird dem Anwender grafisch und textlich mit- geteilt. Er kann somit die Ursachen der Unsicherheiten fest- stellen und erhalt Hinweise, wie bei der Bemessung weiter vorzugehen ist. WIhrend der Benutzung des Systems wird im Hintergrund ein Sitzungsprotokoll gefuhrt, das am Ende eines jeden Berechnungsvorgangs gespeichert und ausge- druckt werden kann. Weiterhin besteht die Moglichkeit die Ergebnisse berichtsfertig ausxudrucken.

4.4 Die Wissensbasis

Zur Wissensbasis von FALIXS, Ahh. 7. gehiiren die Metho- den der Lebensdauervorhercage, die Berechnungsmethoden

fur Schwingfestigkeits- und Beanspruchungskennwerte, die Methoden zur Bewertung der Kennwerte, der Berechnungs- und Lebensdauervorhersagemethoden sowie die Methoden zur Datenbanksuche. Im weiteren Sinne zahlen auch die In- halte der Faktendatenbank zum Betriebsfestigkeitswissen und werden deswegen hier der Wissensbasis zugeordnet.

Die Faktendatenbank Zur Lebensdauervorhersage werden Kennwerte der Bean-

spruchung und der Festigkeit benotigt. Diese Kennwerte wer- den in einer Faktendatenbank gespeichert und venvaltet und stehen FALIXS zur Verfiigung.

Eine Faktendatenbank ist eine logisch strukturierte Samm- lung von Daten, die mit moglichst geringer Redundanz in ei- nem EDV-System gespeichert sind [ I , 21. Gegenuber konven- tioneller Datenverarbeitung bietet eine Faktendatenbank fol- gende wesentlichen Vorteile [3]: Unabhangigkeit zwischen Programmen und gespeicherten Daten, Vermeidung von Red- undanzen, Konsistenz der Datenbestande und Erhohung des Datenschutzes.

Welche charakteristischen Daten der Beanspruchung und der Festigkeit beniitigt werden. ist abhiingig von der Lebens- dauervorhersagemethode. Beim Entwurf der Datenbank war deshalb festzulegen, welche Verfahren der Lebensdauervor-

Abb. 7. Inhaltsiibersicht iiber die Wis- sensbasis von FALIXS Fig. 7. Summary of the contents of the knowledge base of FALIXS

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hersage in das System integriert werden sollen, welche Kenn- werte bzw. Kennfunktionen diese benotigen und welche be- schreibenden Randdaten gespeichert werden miissen. Diese Informationen sind notwendig, uni zutreffende Kennwerte und Kennfunktionen in der Datenbank zu finden, miteinander zu vergleichen, zu bewerten und zu dokumentieren. Zu klaren war auRerdem, welche Zusammenhiinge und Abhangigkeiten zwischen diesen Dateien bestehen [ 31. Die Faktendatenbank von FALIXS enthalt Lebensdauer- und Wohlerlinien sowie zy- klische Spannungs-Dehnungs- und RiDfortschrittskurven als Kennfunktionen der Schwingfestigkeit. Gespeicherte Kenn- funktionen der Beanspruchung sind Hiiufigkeitsverteilungen von Last-Zeit-Verlaufen wie Rain-Flow-Matrizen und Kollek- tive einparametriger Zahlverfahren (z.B. L,evelcrossing). Die beschreibenden Randdaten betreffen die Versuchs- und MeR- bedingungen, unter denen die Kennfunktionen ermittelt wur- den, bauteilrelevante Daten der Geonietrie, des Werkstoffs, der Fertigung, des Obeillachenzustandes, der Umgebungsbe- dingungen, das Versagenskriterium, die Belastungsart und be- anspruchungsrelevante Daten wie beispielsweise das Einsatz- profil und der Beladungszustand eines Fahrzeugs.

Fur die Entwicklung der Faktendatenbank wurde das rela- tionale Datenbanksystem ORACLE verwendet.

Die Methodenbank Eine Methodenbank ist ein Softwaresystem, in dem die ein-

zelnen Methoden in strukturierter Weise abgelegt und verwal- tet werden, so daR bei Bedarf gezielt auf sie zugegriffen wer- den kann [4]. Die einzelnen Methoden sind Programmbaustei- ne, die ein begrenztes Problem Iosen. Hierfiir werden Ein- gangsdaten benotigt und Ergebnisdaten geliefert 131. Die Bau- steine sollen ini Zusammenwirken rnit anderen anwendbar sein. Die Methodenbank von FALIXS enthalt die Methoden der Lebensdauervorhersage, Methoden zur Umrechnung ge- gebener Daten, Berechnungsmethoden zur Generierung syn- thetischer Beanspruchungs- und Festigkeitskennwerte, Me- thoden zur Bewertung von Daten und Verfahren und Metho- den zur gezielten Daterisuche in der Faktendatenbank.

In FALIXS sind folgende Lebensdauervorhersagekonzepte einbezogen: 0 Das Nennspannungskonzept, das auf Nennspannungswoh-

lerlinien und Haigh-Schaubildern. Beanspruchungskollek- tiven und der Schadensakkumulation nach Miner [S] bzw. Relativ-Miner [6] basiert.

- Methoden der Leben.sdauervot.hersage

0 Das Dehnungswiihlerlinienkonzept, mit dem unter Ver- wendung von Dehnungswohlerlinien glatter Stabe, zykli- scher Spannungs-Dehnungs-Kurven, Rain-Flow-Matrizen ortlicher Dehnungen sowie dem Schadensparaineter nach Snzith-Wut.son-To/7/7er 171 und der Miner- oder Relativ-Mi- ner-Regel Lebensdauerwerte berechnet werden.

0 Zur Erganzung wurde ein linear-elastisches Bruchmecha- nikkonzept eingebunden, fur dessen Anwendung Bruchme- chanikwerte, Geometriedaten der versagenskritischen Stel- le und der RiRtyp benotigt werden. Die Beanspruchungen mussen jeweils als Level-Crossing-Kollektiv vorliegen. Der RiBfortschritt wird entweder nach Paris [S] oder For- man [9] berechnet und nach Miner linear aufsummiert.

- Berechrzungsmethoden ,fur Festigkeits- und Beanspru-

Weil haufig die EinfluRgroBen der Beanspruchungs- und der Schwingfestigkeitskennwerte von denen des betrachteten Bauteils abweichen, mussen sie mit zutreffenden Methoden umgerechnet werden. In Fallen, in denen keine zutreffenden Beanspruchungs- oder Schwingfestigkeitskennwerte zur Ver- fugung stehen, werden zuverliissige Methoden zu deren Be- rechnung benotigt.

In FALIXS stehen fur derartige Falle die folgenden Be- und Umrechnungsmethoden, Abb. 8, zur Verfugung:

Beanspruchungen: 0 Extrapolation von Level-Crossing-Kollektiven unter Ver-

wendung von Extremwerten [lo], 0 Berechnung synthetischer Level-Crossing-Kollektive unter

Zugrundelegung entsprechender Lastannahmen, 0 Lineare Umrechnung von Beanspruchungen auf andere

versagenskritische Stellen, Bauteile, Baugruppen, Fahr- zeuge, Einheiten, Mittelwerte und Intensitaten. Schwingfestigkeit:

0 Berechnung synthetischer Nennspannungs- und Dehnungs- wohlerlinien, z.B. nach [ I I ] ,

0 Urnrechnung von Nennspannungswohlerlinien und Deh- nungswohlerlinien mit den Methoden zur Berechnung syn- thetischer Wohlerlinien,

0 Berechnung von Haigh-Schaubildern aus Nennspannungs- wohlerlinien, z.B. nach [ 121.

chungskennwerte

- Methoden zur Suche nuch den in der Faktendatenbank

Die Faktendatenbank ist unabhanigig vom wissensbasierten Programmteil zur Lebensdauervorhersage. Dieser kann die Daten nur lesen. Um nicht die Struktur der Datenbank. die

gespeicherten Bemessungsgrundlagen

Abb. 8. Berechnungsrnethoden fur Beanspruchungs- und Schwingfestig- keitskennwerte Fig. 8. Calculation methods for stress and strength data

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sich von Zeit zu Zeit iindert, in FALIXS abbilden zu mussen, ist in der Wissensbasis festgelegt. welche Schwingfestigkeits- und Beanspruchungsdaten in der Datenbank abgelegt sind und wie auf diese Daten zugegriffen werden kann.

- Bewertungsmethodrn Um im Anwendungsfall die Lebensdauer init hochstmogli-

cher Zuverliissigkeit vorhersagen zu kiinnen, niuOte ein Kon- zept zur Bewertung der Zuverliissigkeit der rechnerischen Le- bensdauervorhersage entworfen werden. Dieses Bewertungs- konzept bildet ein wesentliches Kernstuck des Experten- systems, mit dem sich FALIXS deutlich von anderen Software- produkten zur rechnerischen Lebensdauervorhersage ab- grenzt.

Das prinzipelle Vorgehen von FALIXS zur Bewertung und Auswahl der Daten und Methoden ist in Abschnitt 4.1 darge- stellt.

Auf Einzelheiten der Zuverlassigkeitsbewertung kann in diesem Beitrag nur im Uberblick eingegangen werden, Abb. 9. Alle Unsicherheiten der Daten und Methoden werden in FALIXS wie das StreumaR einer logarithrnischen Norrnal- verteilung behandelt. Es wird ails der Standardabweichung ndch der Gleichung TN = 10'2.sh ') berechnet. Vereinfacht wird angenommen, daR die Einzelunsicherheiten statistisch

Abb. 9. Bewertung der Zuverlassigkeit dcr Leben4daucrvorhersage Fig. 9. Improvement of the reliability of fatigue life prediction

Abb. 10. Berucksichtigung der Se- rienstreuung und Darstellung des Er- gehnisses Fig. 10. Consideration of the serial scatter and representation of the result

unabhangig voneinander sind. Die Gesamtstandardabwei- chung berechnet sich deswegen ails der Wurzel der Summe der Einzelvarianzen. Unterschieden wird nach beanspru- chungsbezogenen und lebensdauerbezogenen Unsicherhei- ten, deren Summen das jeweilige Ma13 der Gesamtunsicher- heit des Rechenergebnisses bilden. Die Gesamtunsicherhei- ten werden getrennt ausgewiesen und nicht der Serienstreu- ung uberlagert, da sonst die praktische Verwendbarkeit der Ergebnisse verloren geht.

Die Unsicherheiten sind als Zahlenwerte in der Wissensba- sis von FALIXS gespeichert. lm Bedarkfall konnen mit der Wissenserwerbkomponente neue Unsicherheitszahlen defi- niert und bestehende Unsicherheitszahlen verandert werden.

In der derzeitigen Datenbankversion von FALIXS sind keine Rohdaten, sondern nur statistisch ermittelte Kennwerte ein- schliel3lich der beschreibenden Randdaten gespeichert. Fur Festigkeitskennwerte gilt grundsiitzlich die Uberlebenswahr- scheinlichkeit Pij = 50%. Die Eintretenswahrscheinlichkeit P, der Beanspruchungen kann hingegen variabel sein und steht als Kennwert bei den Beanspruchungen in der Daten- bank.

Um die Lebensdauerwerte fur die geforderte Ausfallwahr- scheinlichkeit zu erhalten, wird der berechneten Lebensdauer die in der Wissenserwerbkomponente definierte Serienstreu- ung iiberlagert, Ahh. 10.

456 H. Oppermann Mat.-wish. u. Werkstofftech. 26, 450458 (1995)

Abb. 11. Ohne Programmierkennt- nisse veranderbares Wissen Fig. 11. Changeable knowledge with- out programming experiences

4.5 Wissenserwerb

Mit der Wissenserwerbkomponente kann der Betriebsfe- stigkeitsexperte das fur die rechnerische Lebensdauervorher- sage relevante Fachwissen von FALIXS ohne spezielle Pro- grammierkenntnisse bzw. die Hinzuziehung von EDV-Spezia- listen verlndern oder neues Wissen eingeben. Ahh. I / zeigt im Uberblick die Wissensinhalte von FALIXS, die mit der Wis- senserwerbkomponente modifizierbar sind. Seitens der Schwingfestigkeit kdnnen zur Suche und Bewertung von Da- ten und Methoden fur Arten von versagenskritischen Stellen Wohler- und Lebensdauerlinien einschlieBlich ihrer beschrei- benden schwingfestigkeitsrelevanten EinfluUgroBen sowie Bruchmechanikobjekte (RiMtyp, AnfangsriMlange, Beanspru- chungsart) definiert werden. Ferner sind neue Arten versa- genskritischer Stellen (z.B. ,,abgesetzte Vollwelle") mit ihren relevanten Geometrieparametern und neue Werkstoffgruppen definierbar. Versagenskritische Stellen und Werkstoffgruppen sind hierarchisch aufgebaut. SchlieBlich kiinnen Serienstreu- ungen in Abhangigkeit von der versagenskritischen Stelle, der Fertigungsart und der Werkstoffgruppe angegeben werden.

Zur Suche nach Beanspruchungen und zur Berechnung syn- thetischer Beanspruchungskollektive kijnnen Fahrzeuge, Bau- gruppen, Bauteile, MeBstellen und MeBprogramme mit den fur die Datenbanksuche relevanten KenngroBen definiert wer- den. Fur die Kennfunktionen der Schwingfestigkeit und Be- anspruchung konnen in der Wissenserwerbkomponente Be- rechnungsmethoden, Eingrenzungen zur Datenbanksuche, Bewertungen fur Daten und Methoden sowie Erklarungstexte eingegeben, verandert oder geliischt werden.

5 Zusammenfassung und Ausblick

Das wissensbasierte lnformationssystem FALIXS ist ein wirkungsvolles Werkzeug zur betriebsfesten Bemessung von Bauteilen und Konstruktionen. Es erledigt in kurzer Zeit alle routinemafiigen Arbeiten zur Lebensdauerberech- nung: 0 Auswahl der fur die Lebensdauerberechnung notwendigen

0 Umrechnung der Daten mit zutreffenden Methoden auf den

0 Generierung synthetischer Kennfunktionen zur Lebensdau-

0 Auswahl einer zutreffenden Methode zur Lebensdauervor-

0 Berechnung der Lebensdauer und 0 Bewertung der Zuverlassigkeit des Ergebnisses.

Daten aus einer Faktendatenbank,

Bemessungsfall,

ervorhersage,

hersage,

Durch die umfassende Ergebnisbewertung erhalt der Ent- wicklungsingenieur Hinweise, wie bei der Bauteilbemessung weiter vorzugehen ist. Die zeitaufwendige Suche nach zutref- fenden Daten und Methoden entfallt mit der Anwendung des Systems. Durch die konseyuente systematische Bewertung von Daten, Methoden und Ergebnissen auf der Basis des Er- fahrungswissens der Betriebsfestigkeitsfachleute werden die bestehenden Unsicherheiten der rechnerischen Lebensdauer- vorhersage zunehmend verringert.

Das Risiko, personengebundenes Fachwissen durch Perso- naltluktuation zu verlieren, wird durch die Speicherung der Firmenerfahrungen von Betriebsfestigkeitsfachleuten erheb- lich vermindert.

In der Entwurfs- und der Optimierungsphase von Bauteilen konnen zeitaufwendige und teure Vergleichsversuche durch den Einsatz von FALIXS eingespart werden.

Zur Steigerung der Zuverlassigkeit rechnerischer Lebens- dauervorhersagen mu13 das Expertenwissen der Wissensbasis von FALIXS regelmaBig anhand aktueller Betriebserfahrun- gen uberpruft und ggf. den veranderten Erfahmngen ange- paUt werden.

Das langfristige Entwicklungsziel von FALZXS ist der Aus- bau zu einem umfassenden Schwingfestigkeitsinformations- system, das sowohl wissensbasiert als auch konventionell mit und ohne Datenbankunterstutzung einsetzbar sein soll. Im Endausbau sollen folgende Grundbausteine enthalten sein:

Auswertung experimentell oder rechnerisch ermittelter Da- ten und Aufbereitung zur Lebensdauervorhersage (z.B. ge- messene Last-Zeit-Verlaufe, FEM-, CAD-Daten)

0 Umbewertung von Beanspruchungs- und Festigkeitskenn- werten, Generierung synthetischer Beanspruchungs- und Festig- keitskennwerte zur Lebensdauervorhersage, Rechnerische Lebensdauervorhersage (Ausbau der Metho- denbank). AbschlieBend werden noch einmal die besonderen Lei-

stungsmerkmale zusammengefaBt, die das wissensbasierte In- formationssystem FALIXS von konventionellen Programmen zur rechnerischen Lebensdauervorhersage unterscheiden:

FALIXS.. . 0 . . .sammelt und speichert systematisch die firmenspezifi-

schen Erfahrnngen, . . .ist kein statisches Softwaresystem; durch permanente Wissensakkumulation und Wissensanpassung kann die Vorhersagegenauigkeit zunehmend gesteigert werden, . . . beurteilt die Zuverlassigkeit der Lebensdauervorhersage und ermoglicht darauf basierende Entscheidungen, wie bei der Bemessung weiter vorzugehen ist, . . .liefert bestmogliche Vorhersagen auf der Basis der ver- fugbaren Daten und Methoden.

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Tagung ,,Gefuge und Bruch" 20. Marz bis 22. Marz 1996 Leoben/Osterreich

Veranstalter:

Prof. Dr. Rober t Durzzel; Montanuniversitat Leoben, Institut fur Struktur- und Funktionskeramik, MagnesitstraBe 2, A- 8700 Leoben, Te1.-Nr. ++43/3842/26 6 50, Fax-Nr. ++431 3842121 6 24

Prof. Dr. Michael Pohl, Ruhr-Universitat Bochum, Tnstitut fur Werkstoffe, Lehrgebiet Werkstoffprufung, Postfach 10 21 48, D-44799 Bochum, Te1.-Nr. 0610234/70O-S90S, Fax-Nr. 06l02341709-4409

8. P Paris, E Erdogari, A Critical Analysis of Crack Propagation Laws, Journal of Basic Engineering, Trans. ASME, 1963, S.

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10. 0. B~lxbuum, Verfahren zur Ermittlung von Bemessungslasten schwingbruchgefiihrdeter Bauteile aus Extremwerten von Hau- figkeitsverteilungen, Fraunhofer-Institut fur Betriebsfestigkeit, Darmstadt, LBF-Bericht Nr. FB-75, 1967.

1 I . M. Hiick, L. Thruiner; W Schutz, Berechnung von Wohlerlinien aus Stahl, Stahlgulj und GrauguR, Verein Deutscher Eisenhiit- tenleute, Bericht Nr. ABF 1 I , Dusseldorf, 1983.

12. C. M . Sonsino, K. Stiirzel, Berucksichtigung der werkstoffab- hiingigen Mittelspannungsempfindlichkeit bei der Bewertung der HBufigkeitsverteilungen, Fraunhofer-Institut fur Betriebs- festigkeit, Darmstadt, unveroffentlichter LBF-Bericht Nr. 6618. 1990.

524- 528.

Anschrift des Verfassers: Dipl.-Ing. Helge Oppermann, Fraunhofer- Institut fur Betriebsfestigkeit . LBF, Bartningstralje 47, 64289 Darmstadt.

[T780]

in Zusummericirbeit rnit:

Eisenhutte Osterreich (EHO) Deutsche Gesellschaft fur Materialkunde (DGM) Deutscher Verband fur Materialforschung und -priifung

European Structural Integrity Society (ESIS) Das Thema Gefuge und Bruch wird im Rahmen der Tagung

mit Ubersichtsvortragen behandelt (siehe Ruckseite). Die Vortrage werden in einem Tagungsskript zur Tagung heraus- gegeben. Die Prasentation von Postern zum Thema der Ta- gung sol1 in einer Blockveranstaltung stattfinden.

Die Anmeldung der Posterprasentation wird bis zum 15. Oktober 1995 beim Veranstalter erbeten.

(DVM)

458 H. Oppermann Mat.-wiss. u. Werkstofftech. 26, 450458 (1995)