Qualitätssicherung von Mechanischen Systemen und Strukturen

Die Entwicklung von zuverlässigen Produkten ist eine der wichtigsten Voraussetzungen, um im internationalen Wettbewerb der Industrienationen zu bestehen bzw. erfolgreich zu sein. Die Randbedingungen dazu verschärfen sich kontinuierlich: höhere Komplexität, größere Funktionalität, steigende Produkthaftung, geringere Entwicklungskosten, kürzere Entwicklungszeiten etc. sind zu bewältigen. Einher mit der Forderung der Erhöhung der Zuverlässigkeit geht die Notwendigkeit der Minimierung der Produktionskosten. Die hohe geforderte Systemzuverlässigkeit wird heute nicht mehr allein auf dem klassischen Wege über ausgereifte Konstruktionsmethoden und -verfahren sichergestellt, vielmehr werden mit der Anwendung spezieller analytischer und numerischer Zuverlässigkeitsmethoden die gestiegenen Anforderungen erfüllt. Dabei werden sowohl qualitative, und vor allem quantitative Methoden zur Zuverlässigkeitsanalyse angewendet und weiterentwickelt. Man spricht in diesem Zusammenhang von Zuverlässigkeitsmanagement. Bei den erwähnten Produkten (siehe EU-Richtlinien) handelt es sich ganz allgemein um Erzeugnisse des Bauwesens, Maschinen- und Apparatebau, Fahrzeugbau, der Luft- und Raumfahrtechnik. Kann die Zuverlässigkeitsbeurteilung von Kleinkomponenten noch experimentell über Ausfallsraten abgeschätzt werden, so steht diese Möglichkeit bei größeren Komponenten - schon allein aus Zeit- und Kostengründen - nicht offen. Hier müssen entsprechende theoretische Verfahren der Vorhersage der Ausfallraten- bzw. Versagenswahrscheinlichkeiten oder Zuverlässigkeiten entwickelt werden. Um die dazu notwendigen Verfahren zur Anwendungsreife in der Industrie bringen zu können, bilden natürlicherweise entsprechende, ingenieurwissenschaftliche Grundlagenforschungen die dazu notwendige Voraussetzung. Dies betrifft vor allem das Teilgebiet der stochastischen Strukturmechanik. Hier werden die statistischen und physikalisch bedingten Unsicherheiten, die sowohl die Systembeanspruchungen als auch deren Eigenschaften betreffen (Geometrie und Werkstoffeigenschaften) rational behandelt. Mit anderen Worten es können nun Versagensraten quantifiziert werden und somit die historisch entwickelten Methoden der Berechnung mittelsempirischer Sicherheitsfaktoren signifikant weiterentwickelt bzw. sogar durch diese moderen Verfahren ersetzt werden. Die hier vorgeschlagene Methodik soll die Lücke zwischen dem derzeitigen Stand der Grundlagenforschung und der industriellen Anwendungs- bzw. Weiterentwicklungsreife schließen.

Eines der Hauptziele der Strukturmechanik besteht in der zuverlässigen und effizienten Tragwerksbemessung unter Verwendung der vorhandenen Methoden und Technologien. In diesem Zusammenhang nimmt vor allem die akkurate Vorhersage des Tragwerkverhaltens eine besondere Bedeutung ein, da auf diesem Wege die Kosten für Bemessung, Produktion, Betrieb sowie Erhaltung drastisch reduziert werden können. Insbesondere bei der Entwicklung neuer Systeme und Strukturen können wiederholte experimentelle Messungen mit exorbitanten Kosten verbunden sein. Daher wird heutzutage die Produktentwicklung hauptsächlich mithilfe von komplexen mechanischen Modellen am Computer durchgeführt. Allerdings werden dabei auch Methoden benötigt, um inhärente Unsicherheiten zu berücksichtigen, die auch in den traditionellen Messergebnissen auftreten. Die Einbeziehung dieser Unsicherheiten stellt daher einen unumgänglichen Schritt zur Qualitätssicherung dar, wobei das Gebiet der Stochastik die dafür erforderlichen mathematischen Werkzeuge bereitstellt. Während stochastische Methoden bereits seit langem eine erfolgreiche Entwicklung erfahren, wird ein Großteil dieses Potentials nicht in der Ingenieurpraxis genutzt. Die Gründe dafür liegen vor allem in der Verbindung zwischen der Grundlagenforschung und der Industrie sowie in der Akzeptanz dieser Methoden in Bezug auf die praktischen Anwendungen. Das Ziel dieses Projektes liegt daher in der Schließung der Lücke zwischen der Grundlagenforschung und der industriellen Anwendung. Zu diesem Zweck wurde eine benutzerfreundliche Mehrzweck-Software entwickelt. Diese Software bietet die Möglichkeit, ein breites Spektrum an Berechnungsmethoden durchzuführen, wie etwa Sensitiväts- und Robustheitsanalyse, Quantifizierung von Unsicherheiten, Zuverlässigkeitsanalyse, zuverlässigkeitsbasierte Optimierung sowie Produkt- Lebenszyklusmanagement. Es wurde somit ein breites Spektrum an Funktionalitäten in einziges Software-Paket integriert, das auf eine einfache Bedienung ohne umfangreiche Einschulungszeit abzielt. Zusätzlich bietet diese Software auch die Möglichkeit zur Verwendung von Parallelisierungsstrategien, um den Anforderungen der Analyse von großen und komplexen Systemen gerecht zu werden. Das vorliegende Forschungsprojekt resultierte somit in der Bereitstellung von Forschungsergebnissen für Industrieanwendungen. Das Langzeitziel wird somit darin gesehen, dass das große Potential der stochastischen Methoden der Industrie zugänglich gemacht wird. Abschließend sei noch als Prognose angeführt, dass stochastische Bemessungsmethoden in die entsprechenden Normen einbezogen werden und dass sich diese Methoden somit langsam aber sicher zu einem integralen Bestandteil des Bemessungsprozesses entwickeln werden.