Festigkeitsbeurteilung des Wagenkastens der U-Bahn Wien

Abstract

Im Zuge dieser Arbeit wird von einem historischen Metro-Wagenkasten ein FE-Schalen-modell erstellt, welcher seine Betriebsfestigkeit bereits demonstriert hat. Anhand dieses Modells wird eine Festigkeitsbeurteilung nach dem heutigen Stand der Technik durchgeführt. Dafür werden die Grundlagen der Betriebsfestigkeit und die Auslegung eines Metro-Wagenkastens nach den aktuellen Normen sowie die Vorgehensweisen der Festigkeitsnachweise erläutert. Das Hauptaugenmerk des Festigkeitsnachweises liegt auf der Beurteilung von Konstruktionsdetails, für welche der Nachweis unzulässige Auslastungen ergibt. Dafür sind zwei Konstruktionsdetails ausgewählt worden, wo bei einem im Laufe des Betriebs ein dokumentierter Ermüdungsriss auftrat. Nach der Sanierung tauchte kein weiterer dokumentierter Riss auf, wobei diese Stelle im FE-Modell weiterhin eine Überlastung aufweist. Anhand der Konstruktionsdetails wird der Detaillierungsgrad des Simulationsmodells, in Bezug auf die Vorhersage der Ermüdungsfestigkeit im Fahrbetrieb, untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass Netzfeinheit, Element-Ordnung, Wandstärkenreduzierung aufgrund des a-Maßes sowie insbesondere die Abstandsbewertung einen wesentlichen Einfluss auf die errechneten Auslastungen haben und, je nach Modellierung, Reserven vorhanden sind. Letztendlich muss die Beurteilung jeder kritischen Schweißnaht durch die Fachleute erfolgen. Wie die hier dargestellten Ausführungen zeigen, können je nach verwendeter Modellierungsstrategie durchaus stark unterschiedliche Ergebnisse erzeugt werden. Daher ist eine unreflektierte Übernahme grenzwertiger Berechnungsergebnisse unbedingt zu vermeiden.

In the context of this thesis a finite element shell model is created from a historical metro car body, which has already demonstrated its operational strength. Using this model, a strength assessment is carried out according to the current state of the art. For this purpose, the basics of fatigue strength and the design of a metro car body according to the current standards as well as the procedures of strength verification are explained. The main focus of the strength verification lies on the assessment of construction details for which the verification shows inadmissible utilisations. For this purpose, two construction details have been selected whereby in one documented fatigue cracks occurred during operation. After remediation, no further documented cracks appeared, although this location continues to show an overload in the finite element model. The construction details are used to investigate the level of detail of the simulation model, in relation to the prediction of fatigue strength in service. The results show that mesh fineness, element order, wall thickness reduction due to the throat size and especially the distance assessment have a significant influence on the calculated utilisation and, depending on the modelling, there are different reserves. Ultimately, the assessment of any critical weld seam must be carried out by experts. As the explanations presented here show, widely differing results may well be produced depending on the modelling strategy used. Therefore, an unreflective adoption of borderline calculation results must be avoided at all costs.