Festigkeitsauslegung von Zugsicherungsträgern auf Basis von repräsentativen Trassierungen mittels Mehrkörpersimulationsmodellen

Abstract

Die analytische Bewertung der Ermüdungsfestigkeit von mechanischen Konstruktionen wie dem Drehgestell erfolgt in mehreren Stufen. Repräsentative Betriebslasten können neben vorgegebenen Normwerten auch mittels Mehrkörpersimulationen bestimmt werden. Als Eingangsgrößen für Finite-Elemente- Modelle ergeben sich daraus Spannungen und Auslastungsgrade.Im Gegensatz zu den vorwiegend starren Körpern in einer Mehrkörpersimulation sind jene in Finite-Elemente-Modellen flexibel modelliert. Die Berechnung wird dadurch ressourcenintensiver. Die Festigkeitsbewertung von Anbauteilen wie dem Zugsicherungsträger findet mit komplexen Finite-Elemente-Modellen ganzer Drehgestelle statt. Weniger aufwendig wäre es nur den Zugsicherungsträger elastisch zu modellieren.Folglich war die Idee hinter der vorliegenden Diplomarbeit, die Festigkeitsanalyse eines Zugsicherungsträgers im Rahmen einer Mehrkörpersimulation durchzuführen.Dazu wurde ein Finite-Elemente-Modell des Stadler KISS Westbahn 2 Zugsicherungsträgers reduziert und anschließend als flexibler Körper in eine bestehende Mehrkörpersimulation eines Stadler KISS Westbahn 2 Endwagens eingebunden.Mit Hilfe von Strukturanalysen im Frequenzbereich hat sich gezeigt, dass das erzeugte Modell im niederfrequenten Bereich unter 50 Hz die Realität gut abbildet, jedoch für höhere Frequenzen die Abweichungen sukzessive zunehmen.Im Vergleich zu gemessenen Beschleunigungswerten, die vorrangig im höherfrequenten Spektrum auftreten, lag somit keine ausreichende Übereinstimmung vor. Weiters wurden größere Unterschiede zwischen Mess- und Normwerten festgestellt.Es konnte dennoch nachgewiesen werden, dass die größten gemessenen Spannungen am Zugsicherungsträger im gut abgebildeten niederfrequenten Bereich auftreten.Daraus folgte eine gute Übereinstimmung zu den Simulationsdaten. Ein Vergleich der verwendeten Gleislagestörungen verdeutlichte deren Einfluss auf die Ergebnisse der elastischen Mehrkörpersimulation. Mit der vorliegenden Berechnungsmethode ist eine Bewertung der Festigkeit dieses Zugsicherungsträgers im Speziellen möglich.

In order to prove the fatigue strength of mechanical structures like railway vehicle bogies, certain analysis steps are required. Besides standardized loads multibody simulations (MBS) are used to evaluate typical loads during operation.The difference between numerical structural analysis and MBS is the way how bodies are described. In finite element calculations the flexible characteristics require more computational resources and usually lead to longer calculation times. To define the strength of a rather simple attached component, like a train safety beam, a complex finite element model of the whole bogie is used.For that reason, it might be easier to calculate the structural response of such parts in multi body simulations, which help to determine the operational loads. This method is the motivation for this thesis.For that reason, a finite element model of the train safety beam alone from a Stadler KISS Westbahn 2 railway vehicle has been reduced to its stiffness and has been integrated in a multibody simulation model of that specific vehicle. Track irregularities have been used to simulate different railway lines.The frequency analysis of the model has revealed a good approximation for the real-world behavior in the lower range of the frequency spectrum. For higher frequencies above 50 Hz the error increases gradually.Measured accelerations of this structure result in those higher frequencies. Therefore, the correlation with the model is not sufficient. In addition, deviations have also been observed between acceleration values from the measurements and the standards used for design of railway structures.In order to achieve a relationship with stresses induced, the measurement data of on track tests has been analyzed as well. Stresses relevant for fatigue strength are related to the well approximated lower frequency range of the structure. Hence, the accordance between model and measured data is sufficient.A comparison of the different track irregularities has shown a substantial influence on the simulation results. Consequently, the calculation method presented can be used to prove the fatigue strength of this specific train safety beam.