3.1 Methodische Produktentwicklung
3.1.1 Konstruktionsmethodische Ansätze
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von Asimov [253, S. 26],
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von Cross [253, S. 28],
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von Pugh [253, S. 30–33],
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von Roth [257], [258], [259],
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von Hubka und Eder [253, S. 30],
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von Koller [257, S. 43],
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von Pahl und Beitz [260, S. 17],
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von Rodenacker [257, S. 43],
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von Adams und Keating [253],
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das Verfahren nach VDI-Richtlinie 2221 [50], [261], [262],
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das V-Modell nach VDI-Richtlinie 2206 [52],
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das Münchener Produktkonkretisierungsmodell [255], [263],
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das Vorgehen nach IEEE 1220–2005 [264] sowie
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das Design for Six Sigma [265, S. 137–146].
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„Planen und Klären der Aufgabe“, einschließlich des Erarbeitens einer Anforderungsliste,
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„Entwickeln der prinzipiellen Lösung“, inklusive des Ermittelns von Funktionen, Wirkprinzipen und Lösungsvarianten sowie der Bewertung dieser nach technischen und wirtschaftlichen Kriterien,
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„Entwickeln der Baustruktur“ durch Grob- und Feingestaltung, samt Festlegung auf einen vorläufigen Entwurf,
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„endgültiges Gestalten der Baustruktur“, unter anderem durch Fehlerüberprüfung und Schwachstellenbeseitigung sowie
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„Entwickeln der Ausführungs- und Nutzungsunterlagen“ durch eine vollständige Produktdokumentation, einschließlich der Freigabe zur Fertigung.
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„Klären und Präzisieren der Aufgabenstellung“, woraus die Anforderungen an das Produkt hervorgehen,
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„Ermitteln von Funktionen und deren Strukturen“ mittels Funktionsmodellen,
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„Suchen nach Lösungsprinzipien und deren Strukturen“, aus denen prinzipielle Lösungskonzepte resultieren,
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„Bewerten und Auswählen von Lösungskonzepten“,
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„Gliedern in Module“ und Schnittstellendefinition zur Ermittlung einer Systemarchitektur,
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„Gestalten der Module“ zu Vorentwürfen,
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„Integrieren des gesamten Produktes“ zum Gesamtentwurf sowie
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„Ausarbeiten der Ausführungs- und Nutzungsangaben“.
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Aufgabenformulierungsphase,
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funktionelle Phase,
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prinzipielle Phase,
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gestaltende Phase und
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Detaillierungsphase.
3.1.2 Sicheres und zuverlässiges Konstruieren
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die Einschränkung der Leistung oder Funktion eines Systems,
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eine Wahrscheinlichkeit für das Eintreten dieses Ereignisses,
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einen Zeitraum und
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spezifische Betriebsbedingungen in der üblichen Systemumgebung.
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ein genaues und vollständiges Anforderungsdokument erstellt wird,
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bewährte Konstruktionsrichtlinien eingesetzt werden und
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eine frühzeitige und umfassende Erprobung erfolgt [273, S. 5].
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unbedeutend (Minor),
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bedeutend (Major),
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gefährlich (Hazardous) und
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katastrophal (Catastrophic) [34, AMC 25.1309].
Kategorie | Effekt auf Flugzeug | Effekt auf Passagiere | Effekt auf Cockpit | Erlaubte Ereignisse pro Flugstunde |
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Unbedeutend (Minor) | Geringe Verringerung von Funktionsfähigkeit oder Sicherheit | Körperliche Beschwerden | Geringe Zunahme der Arbeitslast | <1E-03 |
Bedeutend (Major) | Merkliche Verringerung von Funktionsfähigkeit oder Sicherheit | Körperliche Bedrängnis, mögliche Verletzungen | Körperliche Beschwerden oder signifikante Zunahme der Arbeitslast | <1E-05 |
Gefährlich (Hazardous) | Große Verringerung von Funktionsfähigkeit oder Sicherheit | Schwerwiegende oder tödliche Verletzungen einer kleinen Personenanzahl | Körperliche Bedrängnis oder überfordernde Arbeitslast | <1E-07 |
Katastrophal (Catastrophic) | Üblicherweise Flugzeugtotalschaden | Mehrere Todesopfer | Todesopfer oder Arbeitsunfähigkeit | <1E-09 |
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die Gefährdungsanalyse (Functional Hazard Assessment, FHA),
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die vorläufige Systemsicherheitsanalyse (Preliminary System Safety Assessment, PSSA),
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die Systemsicherheitsanalyse (System Safety Assessment, SSA),
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die Fehlerbaumanalyse (Fault Tree Analysis, FTA),
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die Fehlermöglichkeits- und Einflussanalyse (Failure Mode and Effects Analysis, FMEA),
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die Fehlermöglichkeits- und Effektzusammenfassung (Failure Modes and Effects Summary, FMES) und
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die Analyse von Fehlern gemeinsamer Ursachen (Common Cause Analysis, CCA), bestehend aus:oder Zonensicherheitsanalyse (Zonal Safety Analysis, ZSA),oder Analyse besonderer Risiken (Particular Risks Analysis, PRA) sowieoder Analyse redundanzüberbrückender Fehler (Common Mode Analysis, CMA) [34, AMC 25.1309], [77, S. 709]. [275, S. 144].
3.2 Verwendeter Ansatz zur Konzepterarbeitung
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Anforderungsanalyse,
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Funktionsanalyse,
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Konzeptphase,
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Vorentwurfsphase und
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Detaillierungsphase.
3.2.1 Anforderungsanalyse
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Organisation,
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Identifikation,
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Inhalt und
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Rückverfolgung [260, S. 322].
Anforderungsliste Beispielprodukt | Erstellt durch: Erstellende Person (Initialen) Letzte Änderung: TT.MM.JJJJ | Version: XX | ||||
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ID
|
Anforderung
|
Beschreibung
|
Art
|
Datum
|
Quelle
| |
1 | Anforderung 1 | Beispielhafter Grenzwert 1 | Forderung (F) | TT.MM.JJJJ | [YY] | |
2 | Anforderung 2 | Beispielhafter Grenzwert 2 | Wunsch (W) | TT.MM.JJJJ | [ZZ] |
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Ermitteln der Anforderungsquellen,
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Ermitteln der Rahmenbedingungen,
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Ermitteln der Kundenanforderungen,
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methodische Ermittlung und Ergänzung der Anforderungen,
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Abstimmung mit Kunden und
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Festlegen der Anforderungsliste [260, S. 326].
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die Identifikation und Interpretation anzuwendender Bauvorschriften,
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die Ableitung der Nachweiserbringung zur Erfüllung dieser,
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die Zusammenfassung zu einem ganzheitlichen Entwurf und
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die Abstimmung des Entwurfs mit der zuständigen Luftfahrtbehörde [281, S. 69].
ID | Bezeichnung | Beschreibung |
---|---|---|
MoC 0 | Compliance Statement | Erläuterung bzw. Begründung der Erfüllung einer Vorschrift |
MoC 1 | Design Review | Überprüfung anhand von Zeichnungen, Schaltplänen, Stücklisten |
MoC 2 | Calculation/Analysis | Nachweis durch Berechnungen, Analysen, Herleitungen |
MoC 3 | Safety Assessment | Strukturierte Risikobewertung durch Sicherheitsanalysen |
MoC 4 | Laboratory Tests | Werkstoff- oder Bauteiltests im Labor |
MoC 5 | Test on aircraft (On Ground) | Test der Funktion am Flugzeug auf dem Boden |
MoC 6 | Flight Test | Test der Funktion am Flugzeug während des Fluges |
MoC 7 | Inspection | Zustandsprüfung ohne Aktivierung der Komponente |
MoC 8 | Simulation | Tests auf Basis eines digitalen Modells |
MoC 9 | Equipment Qualification | Gerätequalifikation |
Nachweisprüfliste Beispielprodukt Teil 1: Nachweismethoden | ||||||||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
CS | Titel | Nachweismethode (MoC) | Dokument | Version | Status | |||||||||
0 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | |||||
25.XXX | Beispielparagraf 1 | X | X | Nachweis 1 | A | Offen | ||||||||
25.XXX | Beispielparagraf 2 | X | X | X | Nachweis 2 | A | Offen |
Kriterium | K1 | K2 | K3 | Relatives Gewicht \({{\varvec{w}}}_{{\varvec{i}}}\) |
---|---|---|---|---|
Kriterium 1 (K1) | – | 2 | 1 | 0,500 |
Kriterium 2 (K2) | 0 | – | 2 | 0,333 |
Kriterium 3 (K3) | 1 | 0 | – | 0,167 |
Zellwerte: Reihenkriterium ist im Vergleich zum Spaltenkriterium wichtiger (2), gleich wichtig (1), unwichtiger (0) |
3.2.2 Funktionsanalyse
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das FAST-Diagramm (Function Analysis System Technique),
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das Funktionennetz und
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der Funktionenbaum [260, S. 346], [291, S. 3–4].
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Identifizieren der Funktionen des zu untersuchenden Systems,
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Identifizieren der funktionalen Fehlermöglichkeiten (Fehlermoden),
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Kategorisieren der Schwere möglicher Fehler entsprechend der vorherrschenden Flugphasen und Betriebsbedingungen,
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Festlegen der erlaubten Eintrittswahrscheinlichkeit und
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Nachweisen dieser Wahrscheinlichkeit [53, S. 38–46], [57, S. 32–33].
3.2.3 Konzeptphase
Funktion | Lösungsansatz 1 | Lösungsansatz 2 | Lösungsansatz 3 |
---|---|---|---|
Funktion 1 | Teillösungsalternative 1.1 | Teillösungsalternative 1.2 | Teillösungsalternative 1.3 |
Funktion 2 | Teillösungsalternative 2.1 | Teillösungsalternative 2.2 | Teillösungsalternative 2.3 |
Funktion 3 | Teillösungsalternative 3.1 | Teillösungsalternative 3.2 | Teillösungsalternative 3.3 |
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bereits erfüllen,
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perspektivisch ohne größere Einschränkungen erfüllen können oder
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nur mit größeren Einschränkungen bzw. gar nicht erfüllen können.
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die Fehlerbaumanalyse (FTA),
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das Abhängigkeitsdiagramm (DD) und
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die Markov-Analyse (MA) [57, S. 15–17].
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Festlegen eines zu untersuchenden unerwünschten Ereignisses,
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Ermittlung aller Ausfälle, die zu diesem Ereignis führen können, und
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logische Verknüpfung der Ausfälle mit dem Ereignis [273, S. 167].
3.2.4 Vorentwurfsphase
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der Analyse besonderer Risiken (PRA),
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der Zonensicherheitsanalyse (ZSA) sowie
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der Analyse redundanzüberbrückender Fehler (CMA) [57, S. 27].
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Feuer,
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unkontrolliertes Versagen von Rotoren mit hoher Energie,
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Risse in Hochdruckluftkanälen,
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Leckagen vonoLuft hoher Temperatur,oKraftstoff,oHydrauliköl,oWasser,
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aerodynamische Reibung,
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Reibung zwischen beweglichen Teilen,
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Hagel, Eis, Schnee, Wasseraufnahme,
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Vereisung von Betriebsmitteln,
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hohe Umgebungstemperaturen,
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Vogelschlag,
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Blitzschlag,
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elektromagnetische Interferenzen,
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elektromagnetische Felder hoher Intensität und
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Schottwandbrüche [34, AMC 25.1309], [53, S. 158–162], [57, S. 156].
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Identifizieren möglicher Ereignisse, betroffener Zonen, Komponenten und Folgen,
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Identifizieren der Fehlermöglichkeiten und ihrer Schwere für jedes identifizierte Ereignis,
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Zuordnen erforderlicher maximaler Eintrittswahrscheinlichkeiten zu den Fehlermöglichkeiten,
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Empfehlen von Maßnahmen zum Erreichen dieser Wahrscheinlichkeiten, z. B. durch Konstruktionsanpassungen und Analysen, sowie
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Validieren der Wahrscheinlichkeiten durch Konstruktionsanpassungen und Tests [53, S. 156–166], [57, S. 157].
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das Erstellen von Konstruktions- und Installationsrichtlinien,
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die Identifikation von Zonen, der darin enthaltenen Systeme und Komponenten sowie zonenexterner Fehlermöglichkeiten,
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das Untersuchen der Zonen bezüglich der festgelegten Richtlinien,
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das Überprüfen der Zonen auf resultierende Auswirkungen von Fehlern in benachbarten Zonen und umgekehrt sowie
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das Überprüfen und Dokumentieren der Ergebnisse, beispielsweise von Konstruktionsanpassungen [53, S. 177–184], [57, S. 153].
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Ausrüstungsinstallation, z. B. Rohre, Kanäle, Schläuche, Kabel,
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Entfernung und Austausch von Komponenten,
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Wartung und Instandhaltung sowie
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Entwässerungsrichtlinien [57, S. 285–286].
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Erstellen von Checklisten für Typen und Ursachen gleichartiger Fehler,
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Identifizieren von Anforderungen zur Vermeidung von Abhängigkeiten,
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Analysieren der Konstruktion bezüglich der Abhängigkeitsanforderungen, um Schwachstellen zu identifizieren,
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Sicherstellung von Eintrittswahrscheinlichkeiten der untersuchten Fehlermöglichkeiten, z. B. durch Konstruktionsanpassungen, sowie
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Nachweis und Dokumentation der Ergebnisse [53, S. 136–145], [57, S. 160–167].
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fehlerhafte Anforderungen,
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konzeptionelle und Gestaltungsfehler,
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Software-Entwicklungsfehler,
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Hardware-Ausfälle,
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Produktions-, Reparatur- und Installationsfehler,
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von der Norm abweichende Betriebsbedingungen,
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Umweltfaktoren, z. B. Temperaturen, Vibrationen, Feuchtigkeit, sowie
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Fehlerketten (Kaskadenfehler) [53, S. 138–142], [57, S. 160].
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Bereitstellen von Lösungsvarianten mit vergleichbarem Detailgrad,
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Herleiten von Bewertungskriterien aus dem Anforderungsdokument,
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Gewichten der Bewertungskriterien,
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Einführen messbarer Werte für die Erfüllung eines Kriteriums,
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Analysieren der Lösungsvarianten und Zuweisen eines Wertes bezüglich der Erfüllung der Kriterien sowie
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Vergleichen der Bewertungsergebnisse und Auswählen einer Lösungsvariante [260, S. 382–383].
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der Vorteil/Nachteil-Vergleich,
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die Auswahlliste,
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die einfache Punktbewertung,
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die gewichtete Punktbewertung nach VDI-Richtlinie 2225,
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die technisch-wirtschaftliche Bewertung nach VDI-Richtlinie 2225 und
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die Kosten-Nutzen-Analyse [255, S. 187], [260, S. 386], [263, S. 76].
• sehr gute Erfüllung: | \(m_{i,j}\)= 4 Punkte = + +, |
• gute Erfüllung: | \(m_{i,j}\)= 3 Punkte = +, |
• ausreichende Erfüllung: | \(m_{i,j}\)= 2 Punkte = o, |
• noch tragbare Erfüllung: | \(m_{i,j}\)= 1 Punkt = –, und |
• unbefriedigende Erfüllung: | \(m_{i,j}\)= 0 Punkte = – –. |
Kriterium | Gruppe 1 | Gruppe 2 | Gruppe 3 | Gruppe 4 | Gruppe 5 |
---|---|---|---|---|---|
Kriterium 1 (\({\varvec{w}}_{1} = 0,500\)) | + + | –– | o | + | – |
Kriterium 2 (\({\varvec{w}}_{2} = 0,333\)) | – | – | o | + + | + |
Kriterium 3 (\({\varvec{w}}_{3} = 0,167\)) | o | o | –– | + | + + |
Zellwerte: Erfüllung des Kriteriums ist sehr gut + + , gut + , durchschnittlich o, schlecht – oder sehr schlecht −− |
3.2.5 Detaillierungsphase
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die detaillierte Konzeptbeschreibung und seine Herleitung,
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die strukturelle Dimensionierung sowie
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die rechnergestützte 3D-Modellierung und Gestaltung.
ID | Bezeichnung | Beschreibung | Anzahl |
---|---|---|---|
K1 | Komponente 1 | Aufbau und Funktion von Komponente 1 | 1 |
K2 | Komponente 2 | Aufbau und Funktion von Komponente 2 | 6 |
K3 | Komponente 3 | Aufbau und Funktion von Komponente 3 | 4 |
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der vorliegenden Belastungsart,
-
der Belastungsdauer,
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dem verwendeten Werkstoff,
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der Bauteilform und
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der erforderlichen Sicherheit [302, S. 43].
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Festlegen des kritischen Bauteilquerschnitts,
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Ermitteln der vorhandenen Spannung aus der Bauteilbeanspruchung,
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Ermitteln der zulässigen Spannung aus Werkstoff- und Konstruktionskennwerten,
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Ermitteln der vorhandenen Sicherheit aus diesen Spannungen und
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Vergleichen von ermittelter und erforderlicher Sicherheit [302, S. 43].
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der Nachweis der Bauteilfestigkeit mit einer gewissen Sicherheit,
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eine erste Dimensionierung von Bauteilen,
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die Verringerung der Bauteilabmessungen oder
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die Reduzierung der Materialkosten.
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Sicherheitsmethoden, wie eine FMEA basierend auf der erstellten Bauteilliste, sowie weitere Iterationen von FTA und CCA,
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numerische Strömungsanalysen in Vorbereitung auf erforderliche Windkanaluntersuchungen [10, S. 983] und
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Simulationen von Vogelschlagereignissen (Bird Strike) als Vorbereitung auf erforderliche Vogelschlagtests [34, 25.631], [309, S. 44–45].