Optimierung der Wagenkastenbauweise mit offenen Aluminiumprofilen bei Schienenfahrzeugen

Abstract

Ziel der Arbeit ist die Beurteilung der Verwendung von offenen Aluminiumprofilen im Boden eines Personenzugwagens. Die offenen Profile bedeuten gegenüber einer herkömmlichen Konstruktion des Bodens mit geschlossenen Profilen eine Gewichtsreduktion von ca. 20%. Die Vorteile und Nachteile der offenen Profile werden beurteilt und Optimierung vorgeschlagen. Es wird ein FE-Modell des Bodens mit offenen Profilen anhand eines kürzlich produzierten Wagenkastens erstellt. Diese Konstruktionsvariante wird strukturell beurteilt. Die Beurteilung erfolgt mithilfe der normativ definierten Lastfälle nach EN 12663-1 in Bereichen Statik, Ermüdung, Steifigkeit und Stabilität. Schwachstellen der Konstruktion werden in der Ermüdungsanalyse in den Anbindungsstellen der Querträger entdeckt. Die Optimierungsvarianten konzentrieren sich auf die Verbesserung der Konstruktion. Alle Varianten erfüllen an den Stellen mit hohen Auslastung die normativen Anforderungen der EN 12663-1. Die maximale Auslastung liegt bei 89% bei der kritischen Ermüdung. Empfehlenswerte Varianten sind: • Variante A - Verstärkte Wandstärke des Querträgers bzw. • Variante F: Kombination der Variante A mit optimierter Wandstärke der offenen Profile. Bei der letztgenannten Variante wird eine Gewichtsersparnis gegenüber der Variante mit geschlossenen Profilen von 175kg erzielt. Bei der Bewertung der Varianten wird Fokus auf die Gewichtsoptimierung gelegt. Die Kosten der Varianten oder die Umsetzbarkeit werden in der Zusammenfassung diskutiert.

The goal of this thesis is to verify the application of aluminium extrusions with open cross section in the floor design of a railway car body. The extrusions with open cross section result in a 20% weight reduction in comparison with commonly used extrusions with closed cross section. Therefore, the advantages and disadvantages of the open cross section extrusions will be evaluated, and the optimization proposed. At first, a Finite-Element model of the floor with open cross section extrusions will be created and evaluated. This model is based on a recently built railway car body. The evaluation is done based on static, fatigue, stiffness, and stability load cases defined according to the current standards. The weak spots were discovered at the connection between the transversal floor supports and the longitudinal girders. The design optimization is therefore focused on improving the weak weld and in general saving weight. All the variants have passed the requirements by the standards with a maximum fatigue utilization at 89%. Recommended variants are: • Variant A – thicker transversal floor supports and • Variant F – Variant A in combination with reduced wall thickness of the extrusions with open cross section. The Variant F results in savings up to 175kg in comparison with the original solution with closed cross section extrusions. The cost and feasibility are discussed in the summary.