Modellierung der Zuverlässigkeit technischer Systeme mit stochastischen Netzverfahren

Abstract

Durch den Einsatz von mechatronischen Systemen mit den Wissensdomänen Mechanik, Elektronik und Software kommt es zu einer weitaus höheren technischen Komplexität in den Systemen. Darüber hinaus ist es aufgrund von wirtschaftlichen Aspekten und zur Förderung des Systemverständnisses wichtig die Zuverlässigkeit dieser Systeme zu verstehen und berechnen zu können. Die komplexen Zusammenhänge können mit gewöhnlichen Zuverlässigkeitsmethoden nicht mehr beschrieben werden. Hier setzen die dynamischen Modellierungsmethoden an, wobei diese häufig aufgrund der aufwendigen Modellierung noch keine hinreichende Beachtung finden. Ziel dieser Arbeit war es, mit der Entwicklung einer methodischen Vorgehensweise die Motivation zur Anwendung einer geeigneten dynamischen Modellierungsmethode zu fördern. Diese wird durch eine Reduzierung des Modellierungsaufwands und einer realitätsnahen, strukturierten und nachvollziehbaren Modellierung erreicht. Die methodische Vorgehensweise soll dabei als ein Leitfaden für mögliche Anwender dienen. Zu Beginn der Arbeit wurden der Stand der Technik und Forschung zur prinzipiellen Modellierung der Zuverlässigkeit und deren Aspekte in Bezug auf den Modellierungsprozess von mechatronischen Systemen betrachtet. Anschließend wurden die bekanntesten und am verbreitetsten dynamischen Modellierungsmethoden beschrieben. Diese wurden bezüglich ihrer Leistungsfähigkeit untersucht. Aufgrund dieser Untersuchung wurde gezeigt, weshalb die erweiterten farbigen stochastischen Petrinetze (ECSPN) und speziell die verbundene Modellierung (CSM) für die Modellierung der Zuverlässigkeit von komplexen technischen Systemen geeignet sind. Den Kern dieser Arbeit bildet die Entwicklung einer methodischen Vorgehensweise zur Modellierung der Zuverlässigkeit von technischen Systemen. Dieser Inhalt teilt sich auf drei Kapitel auf. Zunächst wurden die Anforderungen an die methodische Vorgehensweise formuliert. Es wurden allgemeine Anforderungen, die sich aus der generellen Entwicklung einer Methode ergaben, ausgearbeitet. Die Anforderungen aufgrund des Entwicklungsprozesses ergaben sich aus den speziellen Problemstellungen bei der Entwicklung mechatronischer Systeme. Weiterhin wurden Anforderungen aufgrund der gewählten Modellierungsmethode und zuverlässigkeitsspezifische Anforderungen formuliert. Für die Entwicklung der methodischen Vorgehensweise wurde ein Ebenenansatz gewählt, wobei die jeweiligen Ebenen mehrere Arbeitsschritte beinhalten. Vorteil dieses Ansatzes ist die hohe gesamtheitliche Durchgängigkeit in jeder Modellierungsphase. Weiterhin wird eine starre unidirektionale Modellierung vermieden. Die methodische Vorgehensweise gliedert sich dabei in eine funktionale Ebene, in eine Komponenten-, Betriebs- und Systemebene und in eine Ebene für das Zuverlässigkeitsmodell und die Zuverlässigkeitsanalyse. Auf der funktionalen Ebene wurden Zuverlässigkeitsnetze der relevanten Komponenten auf Basis der bereitzustellenden Funktionen erstellt. Diese wurden auf der Komponentenebene zu Zuverlässigkeitsmodellen erweitert. Wechselwirkungen, die zwischen den Komponenten entstehen können, fanden ebenfalls Berücksichtigung. Auf der Betriebsebene wurden die zeitabhängigen Belastungen der Komponenten bestimmt. Maßgeblichen Einfluss darauf haben die Lastkollektive und die Betriebsstrategie, für die die Vorgehensweise bei deren Modellierung beschrieben wurde. Auf der Systemebene wurden die vervollständigten Zuverlässigkeitsmodelle zu einem Gesamtmodell zusammengefügt und schließlich auf der untersten Ebene berechnet und analysiert. Der Einfluss der Alterung der Komponenten wurde gezeigt und deren Modellierung beschrieben. Anhand den zuvor formulierten Anforderungen wurde die methodische Vorgehensweise reflektiert. Durch den Ebenenansatz wurde eine für den Anwender transparente und nachvollziehbare Vorgehensweise erreicht. Die Modellierung in den Ebenen kann unabhängig voneinander durchgeführt und zu einem späteren Zeitpunkt verknüpft werden. Die wesentlichen Herausforderungen, die bei der Modellierung von komplexen technischen Systemen entstehen, konnten erfüllt werden. Die Modellierung von Betriebsstrategien, zeitabhängigen Lastkollektiven, Alterungseinflüssen und Wechselwirkungen zwischen den Komponenten, die die Zuverlässigkeit maßgeblich beeinflussen, wurden gezeigt. Anhand eines Hybridantriebsstrangs eines Parallel-PlugIn-Hybridfahrzeugs wurde die methodische Vorgehensweise angewendet. Hier wurde der Einfluss von verschiedenen Fahrzyklen auf die Zuverlässigkeit der relevanten Komponenten und des Systems gezeigt.

Due to the use of mechatronic systems, which combine the aspects of mechanical engineering, electronics and computer engineering, the complexity of technical systems has increased. Because of financial aspects and for increasing the know-how of technical systems, it is very important to be able to calculate and understand the reliability of these systems. Common reliability methods are not capable of describing complex interrelations. That is where dynamic reliability methods take over. However, there is no sufficient consideration of these methods, because of the increased effort during modelling. The aim of this thesis was to increase the motivation for using dynamic reliability methods by the development of a methodical procedure. In order to meet this objective, the modelling effort should be reduced and a structured and close to reality modelling should be reached. The methodical procedure should be used as a guideline for potential users. At the beginning of the work the state of the art of reliability modelling in general and the aspects of mechatronic systems were considered. Subsequently, the most common dynamic reliability modelling methods were described and evaluated regarding their potential in terms of their suitability for modelling the reliability. It was shown, that the Extended Coloured Stochastic Petri Nets (ECSPN), especially the Conjoint System Model (CSM), are most suitable for reliability modelling of complex technical systems. The main issue of this thesis was the development of the methodical procedure. This content is separated in three chapters. Firstly the requirements for the methodical procedure were defined. The general requirements were emerged from the general development of the method. Additionally, requirements due to the development process of mechatronic systems, the modelling method and the reliability analysis were defined. The structure of the developed methodical procedure consists of different levels including several work steps each. Specifically, they divide in a functional level, a component level, an operational level, a system level and a level for the reliability model and analysis. On the functional level, the reliability nets based on the functions, which have to be provided, are created. Firstly a functional analysis has to be done in order to determine the relevant functions. After that the components needed to fulfill the specific functions are determined and linked by a functional matrix. On the component level, they are modified into reliability models. As a part of the component level the failure mechanisms, the interactions between different components and their failure behaviour are described. With these requirements the reliability models are constructed. On the operational level, the time dependent loads on the components are determined. They are mainly influenced by the operating strategy and the load profiles, for which the approach of modelling is shown. The complete model is merged on the system level. The time dependent loads, which are calculated on the operational level, have a significant influence on the reliability of the system. That is why the concept of age is introduced and explained by means of a simple technical system. The final step of the methodical procedure is the analysis of the model on the level for the reliability model and analysis. By means of the defined requirements the methodical procedure was reflected. Because of the use of different levels for the methodical procedure, a clear and understandable approach was achieved. The main challenges occurring during the modelling of complex technical systems have been managed. The modelling of operating strategies, time dependent load profiles, the concept of age and interactions between the components were shown. As an application example for the methodical procedure, a parallel plug-in hybrid vehicle was chosen. Different driving cycles were implemented and their influence on reliability of the hybrid car drive system was investigated. Because of different speeds and accelerations of the vehicle during the driving cycles and the operating strategy the components are loaded differently. The results show the effects of these outer influences on reliability of the different components and the whole hybrid car drive system.