Automatisierte FE-Berechnung von Sandkästen

Abstract

Bei Schienenfahrzeugen wird durch das „Sanden“ (Streuen von Sand direkt vor die Räder auf die Schienen) die Reibung zwischen Schiene und Rad erhöht. Der Sand befindet sich dabei in Sandkästen und wird entweder manuell oder automatisch beim Anfahren bzw. beim Bremsen durch das Sandrohr zu den Schienen geführt. Sandkästen gibt es in vielen verschiedenen Ausführungen und Größen. Im Fahrbetrieb werden sie vom Ort ihrer Aufhängung abhängigen Belastungen in Form von Beschleunigungen und Vibrationen ausgesetzt, denen sie über die Dauer ihres Lebens standhalten müssen. Der Festigkeitsberechnungs- und Dokumentationsprozess von Sandkästen (Finite Elemente Methode) dauert aktuell für die gewünschte Durchlaufzeit eines Modells zu lange. Daher sollen in dieser Diplomarbeit Möglichkeiten zur wirtschaftlichen Berechnung der Kästen gesucht werden. Themen, die behandelt werden sollen, lauten: - Modellerstellung - Berechnungsmethodik - Berechnungsauswertung Bisher wurden Sandkästen als geschweißte Blechbaugruppen aufgebaut. In Zukunft sind jedoch immer öfter genietete Sandkästen vorgesehen. Es soll eine Methode zur Berechnung der Niete gefunden werden. Dabei ist von Interesse, wie sich Nietverbindungen unter Last verhalten, wo die höchsten Belastungen auftreten und wie man diese Belastungen interpretieren kann. Zuerst wurden verschiedene Modellierungsvarianten von Nieten untersucht und miteinander verglichen. Nachdem die optimale Modellierung festgelegt war, wurde damit begonnen, den Berechnungsprozess selbst zu optimieren. In der Berechnungssoftware Ansys wurden verschiedene Möglichkeiten der Automatisierung angewendet. Repetitive Geometriebearbeitungsschritte wurden automatisiert, eine gesamte Symbolleiste programmiert und zur schnellen Auswertung der Berechnung wurde die Berichterstellung automatisiert. Ein Vorteil der erstellten Methoden ist (neben der Automatisierung) die Vereinheitlichung der Berechnung. Werden die Methoden immer gleich ausgeführt, ist eine gute Vergleichbarkeit bei verschiedenen Projekten gegeben.

In rail vehicles, friction between the wheel and the rail is improved by sanding systems (sand increases the friction coefficient). The operation is either activated manually or automatically. The sand is contained in Sand Boxes and it is conveyed to the rail through the Sand Pipe. These Sand Boxes exist in many different forms and sizes. During train operation the Sand Box is exposed to accelerations and vibrations which should be withstood over its life span. As more Sand Boxes are planned to be designed, the analysis and documentation process (finite element method) currently takes too long. Therefore, the goal of this diploma thesis is to find efficient ways to analyse Sand Boxes. Important topics are: - Creation process of the analysis model - Methods for analysing Sand Boxes - Evaluation of the analysis Up to now Sand Boxes usually were designed using welded sheet metal. In the future Sand Boxes which use blind rivets for connection will be designed more frequently. A method for evaluating these rivets should be found. During the process it is important to find out, how rivets behave under load, where the highest loads occur in the Sand Box and how the results can be interpreted. At first, different variants of simple rivet models were compared. After the best method for modelling the rivets has been found, the analysis process itself was optimised. Using the software Ansys, different ways of automation were used. Repetitive geometry editing actions were automised, a complete new toolbar was programmed and the ducumentation process was also automized. An advantage of the methods found is (besides the automation) that, if they are used by standard, there will be a good compareability of future analyses.