Untersuchung von Aluminiumprofilschiebesitzen im Hinblick auf die Modellierung mittels der Finite Elemente Methode und auf die Bewertung von aussergewöhnlichen Belastungen als auch Ermüdungsbelastungen

Abstract

Im Rahmen dieser Diplomarbeit wird die Schweißnahtverbindung einer typischen Profilschiebesitzverbindung aus Aluminium für den Einsatz bei Schienenfahrzeugwagenkästen untersucht. In diesem Fall wird die Fügeverbindung durch zwei längslaufende Kehlnähte realisiert. Durch den Schiebesitz ist es möglich, den notwendigen Toleranzausgleich beim Fügen großer Einzelmodule einzustellen. Die Festigkeits- und Lebensdauerberechnung solcher Bauteile erfolgt basierend auf Finite Elemente Analysen der Wagenkästen. Die zu berücksichtigenden Lastfälle sind in Normen wie der EN 12663-1 [EN663] sowie in Kundenspezifikationen vorgegeben. Da bei Wagenkästen aus Aluminiumprofilen schalenähnliche Strukturen dominieren, ist es üblich, die Aluminumprofile über Schalenelemente im Finite Elmente Modell abzubilden. Die Schweißnähte an sich werden dabei nicht separat modelliert. Der Einfluss der Kerbwirkung durch die Schweißnaht wird über das Niveau der Festigkeitswerte berücksichtigt. Die Kernthemen der vorliegender Arbeit sind die Ausarbeitung und der Vergleich von verschiedenen Modellierungsstrategien mit der Finiten Elemente Methode, die in der Praxis als effiziente Modellierungsmethoden eingesetzt werden können. Dies wird über die Bewertung auf Basis der Richtlinie DVS 1608 [DVS15b] für außergewöhnliche Belastungen und für Ermüdungsbelastungen umgesetzt. Die Profilquerschnitte sind mit reduziert integrierten Schalenelementen modelliert, die nominale Wandstärke ist als Schalendicke zugeordnet. Die für die Spannungsermittlung eingesetzten Finite Elemente Modelle erfassen dabei die geometrisch bedingten Spannungsgradienten. Deshalb werden die Auswertepunkte bei Schweißnahtverbindungen speziell festgelegt. Bei der statischen Bewertung von Schweissnähten wird die von Mises Vergleichsspannung mit der zulässigen Spannung für Wärmeeinflusszonen verglichen. Die nicht explizite Berücksichtigung der Schweißnähte für die Strukturspannungsmodelle kann beim statischen Festigkeitsnachweis zum Unterschätzen der Spannungen im Schweißnahtbereich führen. Der Ermüdungsfestigkeitsnachweis wird sowohl mit dem Strukturnennspannungs- als auch mit dem Kerbspannungskonzept in Form von Dauer- und von Betriebsfestigkeitsnachweisen geführt. Bei dem Kerbspannungskonzept sollen die mit einem Finite Elemente Modell ermittelten örtlichen fiktiven Spannungen als Referenz für die Belastbarkeit der vereinfachten Modelle dienen. Die Anwendung des Nennspannungskonzeptes für die Strukturspannungsmodelle kann im Falle des Ermündungfestigkeitsnachweises zu einem Überschätzen der Spannungsschwingbreiten für die Lastfälle 1 (Zug/Druck) und 2 (Biegung) führen, wodurch konservative Ergebnisse resultieren. Die Bewertungsspannnungen für Lastfall 3 (Schub in Querrichtung) werden vom Schalenmodell ohne Versatz weitgehend unterschätzt. Die Schalenmodelle, bei denen der Versatz berücksichtigt wird, liefern höhere Auslastungsgrade: Als am besten geeignete Modelleriungsmethode stellte sich das Schalenmodell mit Rigid-Elementen heraus, welches für die Auswertestelle DMS 1 (obere Naht des Profilschiebesitztes) den Auslastungsgrad mit ca. 10% Unterschied bestimmt.

In this thesis the weld joint as a typical sliding seat joint of aluminum profiles for railway carbody structures is investigated. In this case, the assembly of these profiles is achieved through two long continuous fillet welds. The fillet weld seam is a common form for line-shaped joining of aluminum profiles. Due to the sliding seat joint, the necessary tolerance compensation is provided when joining large individual modules. The strength and fatigue resistance calculation of such components is based on finite element analyses of railway vehicle bodies. The load cases are derived from standards such as EN 12663-1 [EN663] as well as from customer specifications. In the case of railway vehicle bodies made from aluminum profiles the shell-like structures are dominating. For that reason aluminum profiles are modeled with shell elements in the finite element model. The welds are not modeled separately. The influence of the notch effect by the weld is taken into account by a reduced level in strength values. The main topic of this thesis is the derivation and the comparison of different modeling strategies in the finite element method, which can be used as an efficient modeling method in practice. The comparison will be achieved by the evaluation on the basis of the guideline DVS 1608 [DVS15b] for exceptional loads as well as for fatigue loads. The profile cross-sections are modeled with reduced integrated shell elements. The nominal wall thickness is assigned as the shell thickness. This method of the finite element modeling also captures the geometrically related stress gradient. Therefore, the evaluation points for welds are specifically determined. The evaluation of static load cases of welds is achieved through the comparison of the von Mises yield stress with the allowable stress for the alloys in the heat-affected zone. The non-explicit consideration of the welds for the structural-nominal stress models shows that in the static strength assessment the stresses in the weld area are underestimated. The fatigue evaluation is achieved by the structural-nominal stress concept as well by the notch stress concept in form of a safe life and a fail safe assessment. The determined local effective stresses by the notch stress concept are used as a reference for the loading of the simplified shell models. The application of the nominal stress concept to the structural-nominal stress models leads to an overestimation of the stress ranges for the load case 1 (tension/compression) and 2 (bending) in case of calculating the fatigue resistance. These results are conservative. The simplest shell model variant (shell model without offset) underestimates the stresslevels for the load case 3 (shear in transverse direction). The shell models, in which the offset is taken into account, provide better results. The shell model with rigid elements has been found to bo the best modelling method as it leads to only 10% difference in the degree of utilization in the significant evaluation point (top seam of profile).