11. Internationale Schienenfahrzeugtagung Dresden

11. Internationale Schienenfahrzeugtagung Dresden 23. bis 25. Februar 2011 Tagungssektion 22 Ingo Kaiser DLR, Institut für Robotik und Mechatronik, ...
Author: Angelika Maier
21 downloads 2 Views 3MB Size
11. Internationale Schienenfahrzeugtagung Dresden 23. bis 25. Februar 2011 Tagungssektion 22

Ingo Kaiser

DLR, Institut für Robotik und Mechatronik, Oberpfaffenhofen

Hochdetaillierte Modellierung der Fahrzeug-Fahrweg-Wechselwirkung

Hochdetaillierte Modellierung der Fahrzeug-Fahrweg-Wechselwirkung 11. Internationale Schienenfahrzeugtagung Dresden, 23. – 25. Februar 2011 Ingo Kaiser Institut für Robotik und Mechatronik DLR Oberpfaffenhofen

Inhalt

Motivation Fahrzeug-Fahrweg-Modell Radsatz Gleis Rad-Schiene-Kontakt Ergebnisse Zentrischer Lauf Wellenlauf Zusammenfassung und Ausblick

2

Erweiterung der Fahrzeug-Fahrweg-Modellierung

Standardmodellierung (SIMPACK etc.)

Erweiterte Modellierung (DLR: ZFF_Evolution)

Radsatz: Starrkörper

Flexibler rotierender Radsatz

Hertz´scher (elliptischer) Kontakt

Nicht-elliptischer Kontakt

Gleis: Ersatzsystem aus Starrkörpern

Voll-flexible Schiene Quelle: www.railfaneurope.net

3

Motivation Weiterentwicklung der Simulationsmodelle und -methoden zur Erfüllung höherer Anforderungen an das Fahrzeug (Anwendung für NGT) Modellierung des akustischen Verhaltens (Lärm)  Strukturdynamik von Radsatz und Schiene relevant Modellierung des Verschleißverhaltens Auswirkung auf Kosten (Unterhalt) Auswirkung auf Lärm  Genaue Kenntnis des Kontaktgebiets erforderlich  Auswirkungen von Strukturverformungen auf den Kontakt 4

Erweiterung der Fahrzeug-Fahrweg-Modellierung

Flexibler rotierender Radsatz

Quelle: www.railfaneurope.net

5

Beschreibung des flexiblen Radsatzes

P

B

I

6

Beschreibung des flexiblen Radsatzes

P

B

I

Starrkörperbewegungen (Translation, Rotation)

7

Beschreibung des flexiblen Radsatzes

B

P

Überlagerung der I Starrkörperbewegungen (Translation, Rotation) und der Deformationsbewegungen Beschreibung der Deformationsbewegungen durch Modalsynthese 8

Gekoppeltes Stator-Rotor-System

I

S

Problem: Große Rotation des körperfesten KS B

B

9

Gekoppeltes Stator-Rotor-System

I

S

A

Problem: Große Rotation des körperfesten KS B

B

Lösung : Verwendung eines achsfesten Zwischen-KS A zur Beschreibung des Rotors  Einfache Kopplung des Rotors mit nicht-rotierenden Elementen

10

Zyklische Strukturen

Gasturbinenrotor

Quelle: Radsatzfabrik Ilsenburg

Quelle: Hidroelectrica Secacao

Quelle: Siemens Power Generation

Beispiele für Rotoren

Pelton-Wasserturbine

Eisenbahn-Radsatz

Eine zyklische Struktur besteht aus n>2 ringförmig angeordneten identischen Segmenten.  Drehsymmetrie 11

Eigenmoden des Radsatzes

symmetrisch

antimetrisch

233 Hz

304 Hz

84 Hz

147 Hz

345 Hz

345 Hz

931 Hz

931 Hz

k= 0 (Schirmmoden)

k= 1 (Biegemoden) k= 2 (Radmoden)

k= 3 (Radmoden)

Keine Wechselwirkung zwischen Rad und Welle

12

Gekoppeltes Stator-Rotor-System

I

S

A

Problem: Große Rotation des körperfesten KS B  Keine Linearisierung bezüglich möglich

B

Beschreibung des Rotors im achsfesten KS A  Elimination von

13

Frequenzantwort eines Reisezugwagens

F F

v

14

Frequenzantwort eines Reisezugwagens

147 Hz

304 Hz

345 Hz

15

Erweiterung der Fahrzeug-Fahrweg-Modellierung

Voll-flexible Schiene Quelle: www.railfaneurope.net

16

Aufbau des Fahrwegmodells

Schienen

Schwellen

Viskoelastische Zwischenlagen

Viskoelastischer Untergrund

Schienen: Flexible Körper, Beschreibung durch Modalsynthese, Formfunktionen aus 3D-FE-Modell Schwellen: Starrkörper, 6 DOF Basis: Gleismodell nach Ripke (1995), Modifikationen: Verfeinerte FE-Modellierung der Schienen Geneigter Einbau der Schienen Zwischenlagen: Verteilte Steifigkeiten und Dämpfungen 17

Aufbau des Fahrwegmodells

Gleiche RB an den Enden („Ring mit vernachlässigter Krümmung“) Schienen: Flexible Körper, Beschreibung durch Modalsynthese, Formfunktionen aus 3D-FE-Modell Schwellen: Starrkörper, 6 DOF Basis: Gleismodell nach Ripke (1995), Modifikationen: Verfeinerte FE-Modellierung der Schienen Geneigter Einbau der Schienen Zwischenlagen: Verteilte Steifigkeiten und Dämpfungen 18

Modellierung der Schiene Exzentrische Belastung durch Querkräfte

Deformationen des Schienenquerschnitts

Fy Finite-Elemente-Modell der Schiene 216 Knoten, 648 Fhg

Semianalytische Lösung der Gleichungen des 3D-Kontinuums (Navier-Gleichungen) für einen prismatischen Körper

19

Ergebnisse der FE-Berechnung für die Schiene

Laterale Biegung = 2,4 m 141,6 Hz

Querschnittsverformung = 2,4 m 1532,9 Hz

Vertikale Biegung = 2,4 m 325,3 Hz

Querschnittsverformung = 2,4 m 4240,9 Hz

20

Aufbau des Fahrwegmodells

Gleiche RB an den Enden („Ring mit vernachlässigter Krümmung“) Periodischer Aufbau  Zyklische Struktur



21

Einfluss der Fahrweglänge F/2

F/2

F/2

F/2

w

w

w/F [mm/kN]

w/F [mm/kN]

16 Schwellen (9,6 m)

f [Hz]

f [Hz] 22

Einfluss der Fahrweglänge F/2

F/2

F/2

F/2

w

w

32 Schwellen (19,2 m)

w/F [mm/kN]

w/F [mm/kN]

16 Schwellen (9,6 m)

f [Hz]

f [Hz] 23

Einfluss der Fahrweglänge F/2

F/2

F/2

F/2

w

w

32 Schwellen (19,2 m)

64 Schwellen (38,4 m)

w/F [mm/kN]

w/F [mm/kN]

16 Schwellen (9,6 m)

f [Hz]

f [Hz] 24

Einfluss der Fahrweglänge F/2

F/2

F/2

F/2

w

w

32 Schwellen (19,2 m)

64 Schwellen (38,4 m)

128 Schwellen (76,8 m)

w/F [mm/kN]

w/F [mm/kN]

16 Schwellen (9,6 m)

f [Hz]

f [Hz] 25

Einfluss der Fahrweglänge

F/2

F/2

F/2

F/2

v

v

v/F [mm/kN]

v/F [mm/kN]

16 Schwellen (9,6 m)

f [Hz]

f [Hz] 26

Einfluss der Fahrweglänge

F/2

F/2

F/2

F/2

v

v

32 Schwellen (19,2 m)

v/F [mm/kN]

v/F [mm/kN]

16 Schwellen (9,6 m)

f [Hz]

f [Hz] 27

Einfluss der Fahrweglänge

F/2

F/2

F/2

F/2

v

v

32 Schwellen (19,2 m)

64 Schwellen (38,4 m)

v/F [mm/kN]

v/F [mm/kN]

16 Schwellen (9,6 m)

f [Hz]

f [Hz] 28

Einfluss der Fahrweglänge

F/2

F/2

F/2

F/2

v

v

32 Schwellen (19,2 m)

64 Schwellen (38,4 m)

128 Schwellen (76,8 m)

v/F [mm/kN]

v/F [mm/kN]

16 Schwellen (9,6 m)

f [Hz]

f [Hz] 29

Erweiterung der Fahrzeug-Fahrweg-Modellierung

Nicht-elliptischer Kontakt

Quelle: www.railfaneurope.net

30

Nicht-elliptischer Rad-Schiene-Kontakt Hertz‘sche Theorie: Schnelle, einfache Bestimmung von Kontaktflächen (Ellipsen) durch Verwendung von Tabellen Voraussetzungen für Hertz‘sche Theorie im Rad-Schiene-Kontakt oft nicht gegeben Kontaktgeometrie

Verteilung der Normalspannung

S1002

UIC 60

Behandlung des nichtelliptischen Kontakts Äquivalente Ellipse Abschätzung der Kontaktfläche Lösung der Kontaktgleichungen 31

Aufbau des Rad-Schiene-Kontaktelements

Kinematik

Geometrie

Durchdringung der Oberflächen

Kinematik

32

Aufbau des Rad-Schiene-Kontaktelements

Annahmen: • Halbräume • Lineare Elastizität • Gleiche Werkstoffe Kinematik  Entkopplung von Normal- und Tangentialkontakt Geometrie

Kinematik

Kräfte und Momente

Normalkontakt

Tangentialkontakt

Kräfte und Momente

33

Formulierung des Normalkontaktproblems Undeformierte Oberflächen

34

Formulierung des Normalkontaktproblems Undeformierte Oberflächen

35

Formulierung des Normalkontaktproblems Durchdringung der undeformierten Oberflächen

Deformierte Körper

36

Formulierung des Normalkontaktproblems Durchdringung der undeformierten Oberflächen

Diskretisierte Druckverteilung

Diskretisierte Durchdringung

Diskretisierte Deformation

Kontaktmechanik (Boussinesq-Gleichung) (Kontakt) (kein Kontakt) Iterative Berechnung der Druckverteilung 37

Quelle: J. Piotrowski, H. Chollet: Wheel-rail contact models for vehicle system dynamics including multi-point contact. Vehicle System Dynamics Vol. 43, No. 6–7, 455–483

Vergleich mit bestehenden Verfahren

Chollet, Ayasse (INRETS): STRIPES Abschätzung der Kontaktfläche durch Verkleinerung der Durchdringungsfläche und Formkorrektur

38

Chollet, Ayasse (INRETS): STRIPES Abschätzung der Kontaktfläche durch Verkleinerung der Durchdringungsfläche und Formkorrektur Kaiser (DLR): ENZIAN Berechnung der Kontaktfläche durch iterative Lösung der Kontaktgleichungen (Boussinesq-Gleichungen) Gute Übereinstimmung mit FE-Rechnung (ANSYS)

ENZIAN

Quelle: J. Piotrowski, H. Chollet: Wheel-rail contact models for vehicle system dynamics including multi-point contact. Vehicle System Dynamics Vol. 43, No. 6–7, 455–483

Vergleich mit bestehenden Verfahren

39

Fahrzeug-Fahrweg-System

Rotierende flexible Radsätze

Nicht-elliptischer Rad-Schiene-Kontakt

Flexible Schienen Fahrzeug: Vier flexible Radsätze, Formfunktionen aus 3D-FE-Modell, volle Berücksichtigung der Rotation Rad-Schiene-Kontakt: Iterative Berechnung von Normalund Tangentialspannungen, Profile: S1002 (Rad), UIC60 (Schiene) Gleis: Zwei flexible Schienen, Formfunktionen aus 3D-FE-Modell, Deformation des Querschnitts möglich, diskrete Schwellen 40

Fahrzeug-Fahrweg-System

Rotierende flexible Radsätze

Nicht-elliptischer Rad-Schiene-Kontakt

Flexible Schienen Fahrzeug: Vier flexible Radsätze, Formfunktionen aus 3D-FE-Modell, volle Berücksichtigung der Rotation Rad-Schiene-Kontakt: Iterative Berechnung von Normalund Tangentialspannungen, Profile: S1002 (Rad), UIC60 (Schiene) Gleis: Zwei flexible Schienen, Formfunktionen aus 3D-FE-Modell, Deformation des Querschnitts möglich, diskrete Schwellen 41

Reales System

Drehgestell MD (Minden-Deutz) 522

Quelle: G. Voß, Vorlesung „Konstruktion der Schienenfahrzeuge“, Institut für Schienenfahrzeuge und maschinelle Bahnanlagen, Universität Hannover

42

Variation des Gleismodells

Gleismodell mit flexiblen Schienen

„Starre Schienen“

43

Zentrischer Lauf bei 200 km/h

v0

F3,RS2

F3,RS1

v0 = 200 km/h

44

Zentrischer Lauf bei 200 km/h Starre Radsätze / starre Schienen

Flexible Radsätze / flexible Schienen

Biegung der Radsatzwelle  Neigung des Radkranzes FB

FB

FWR

FWR

45

Zentrischer Lauf

 Bohrschlupf (Spin) im Kontakt

46

Zentrischer Lauf bei 200 km/h Starre Radsätze / starre Schienen

Normalspannung

Flexible Radsätze / flexible Schienen

Normalspannung

47

Zentrischer Lauf bei 200 km/h Reibleistungsdichte

Starre Radsätze / starre Schienen

Normal- und Tangentialspannungen

v0

: Gleiten

Flexible Radsätze / flexible Schienen

Reibleistungsdichte

Normal- und Tangentialspannungen

v0

: Gleiten 48

Wellenlauf des Radsatzes

yRS1

Starre Radsätze / starre Schienen

Flexible Radsätze / flexible Schienen

49

Wellenlauf des Radsatzes bei 420 km/h Starre Radsätze / starre Schienen

Flexible Radsätze / flexible Schienen

yRS1 = 0 mm

50

Wellenlauf des Radsatzes bei 420 km/h Starre Radsätze / starre Schienen

Flexible Radsätze / flexible Schienen

yRS1 = 1 mm

51

Wellenlauf des Radsatzes bei 420 km/h Starre Radsätze / starre Schienen

Flexible Radsätze / flexible Schienen

yRS1 = 2 mm

52

Wellenlauf des Radsatzes bei 420 km/h Starre Radsätze / starre Schienen

Flexible Radsätze / flexible Schienen

yRS1 = 3 mm

53

Wellenlauf des Radsatzes bei 420 km/h Starre Radsätze / starre Schienen

Flexible Radsätze / flexible Schienen

yRS1 = 4 mm

54

Wellenlauf des Radsatzes bei 420 km/h Starre Radsätze / starre Schienen

Flexible Radsätze / flexible Schienen

yRS1 = 5 mm

55

Wellenlauf des Radsatzes bei 420 km/h Starre Radsätze / starre Schienen

Flexible Radsätze / flexible Schienen

yRS1 = 6 mm

56

Wellenlauf des Radsatzes bei 420 km/h Starre Radsätze / starre Schienen

Flexible Radsätze / flexible Schienen

yRS1 = 7 mm

57

Wellenlauf des Radsatzes bei 420 km/h Starre Radsätze / starre Schienen

Flexible Radsätze / flexible Schienen

yRS1 = 8 mm

58

Wellenlauf des Radsatzes bei 420 km/h Starre Radsätze / starre Schienen

Flexible Radsätze / flexible Schienen

yRS1 = 9 mm

59

Wellenlauf des Radsatzes bei 420 km/h Starre Radsätze / starre Schienen

Flexible Radsätze / flexible Schienen

yRS1 = 10 mm

60

Wellenlauf des Radsatzes bei 420 km/h Starre Radsätze / starre Schienen

Flexible Radsätze / flexible Schienen

yRS1 = 11 mm

61

Wellenlauf des Radsatzes bei 420 km/h

Starre Radsätze / starre Schienen

yRS1 = 1 mm

yRS1 = 3 mm

yRS1 = 5 mm

yRS1 = 7 mm

yRS1 = 5 mm

yRS1 = 7 mm

Flexible Radsätze / flexible Schienen

yRS1 = 1 mm

yRS1 = 3 mm

yRS1 = 9 mm

yRS1 = 11 mm

62

Wellenlauf des Radsatzes

yRS1

Starre Radsätze / starre Schienen

Starre Radsätze / flexible Schienen

63

Wellenlauf des Radsatzes

yRS1

Starre Radsätze / flexible Schienen

Flexible Radsätze / flexible Schienen

64

Wellenlauf des Radsatzes

yRS1

v0 = 320 km/h

Flexible Radsätze / flexible Schienen 65

Wellenlauf des Radsatzes

yRS1

v0 = 330 km/h

Flexible Radsätze / flexible Schienen 66

Wellenlauf des Radsatzes

yRS1

v0 = 340 km/h

Flexible Radsätze / flexible Schienen 67

Wellenlauf des Radsatzes

yRS1

v0 = 350 km/h

Flexible Radsätze / flexible Schienen 68

Wellenlauf des Radsatzes

yRS1

v0 = 360 km/h

Flexible Radsätze / flexible Schienen 69

Wellenlauf des Radsatzes

yRS1

v0 = 370 km/h

Flexible Radsätze / flexible Schienen 70

Wellenlauf des Radsatzes

yRS1

v0 = 380 km/h

Flexible Radsätze / flexible Schienen 71

Wellenlauf des Radsatzes

yRS1

v0 = 390 km/h

Flexible Radsätze / flexible Schienen 72

Zusammenfassung Erweitertes Fahrzeug-Fahrweg-Modell Rotierende flexible Radsätze Flexibles Gleis Nicht-elliptischer Kontakt Iterative Lösung der Kontaktgleichungen Ergebnisse Zentrischer Lauf: Merklicher Einfluss der Verformungen von Radsatz und Schiene auf den Kontakt  Konsistente Modellierung: Eine genauere Berechnung erfordert ein genaueres Verfahren und genauere Eingangsgrößen Wellenlauf: Deutlicher Einfluss der Verformungen von Radsatz und Schiene auf das Laufverhalten

73

Ausblick Fahrzeug-Fahrweg-Dynamikmodell

Akustik

Verschleiß

Festigkeit

74