Parameter assessment for reliability modeling of machine components using heuristic screening

Abstract

For the investigation of influence of various parameters on properties and outputs of components or systems, Design of Experiments (DOE) offers the most efficient approach to create a comprehensive empirical insight into product performance. However, especially if product lifetime is treated as the investigation objective, the main focus of attention must be placed on the efficiency of testing - if only to comply with the principle of DOE, even before testing begins. Without actual test runs, a pre-selection of relevant factors influencing the target quantity can be performed here and strategically adjusted in scale compared to the subsequent method. In this work, common heuristic tools and methods are analyzed and evaluated with respect to a deliberate preselection of influencing factors versus the challenges in lifetime testing and degradation behaviors. Several factors as well as their interactions are taken into account to achieve this. For this purpose, these methods are partially extended and adapted in their focus in order to finally be made applicable in a suitable procedure. An illustration of this is also provided in a selected use case with limited empirical and experimental prior-knowledge, in which a sample of relevant influences is identified through qualitative heuristic decision making with respect to parameters that influence product lifetime. Für die Untersuchung des Einflusses verschiedener Parameter auf die Charakteristik und Leistung von Komponenten oder Systemen bietet die statistische Versuchsplanung (Design of Experiments, DOE) den effizientesten Ansatz, um einen umfassenden empirischen Einblick in die Produkt-Performance zu erhalten. Insbesondere dann, wenn die Lebensdauer eines Produkts als Untersuchungsgröße definiert wird, muss das Hauptaugenmerk auf die Effizienz der Tests gelegt werden - was gemäß den Prinzipien von DOE jedoch bereits schon vor der experimentellen Phase selbst gilt. Dazu kann zugleich eine Vorauswahl relevanter Einflussfaktoren (Screening) auf die Zielgröße ohne tatsächlich ausgeführte Tests erfolgen und bezüglich deren Umfang strategisch für die experimentelle Phase angepasst werden. In dieser Arbeit werden gängige heuristische Werkzeuge und Methoden im Hinblick auf eine gezielte Vorauswahl von Einflussfaktoren gegenüber den Herausforderungen bei Lebensdauer-Erprobung und Degradationsverhalten analysiert und bewertet. Dabei werden mehrere Faktoren sowie deren Wechselwirkungen berücksichtigt. Bestehende Methoden werden darin teilweise erweitert und in ihrer Anwendung angepasst, um schließlich in einem geeigneten methodischen Ablauf eingegliedert zu werden. Zuletzt wird der vorgeschlagene methodische Ablauf an einem ausgewählten Anwendungsbeispiel mit begrenztem empirischem und experimentellem Vorwissen veranschaulicht. Es wird gezeigt, dass mittels qualitativer heuristischer Entscheidungsfindung so eine kennzeichnende Vorauswahl relevanter Einflussparameter auf die Lebensdauer für die Versuchsphase identifiziert werden kann.