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J. Habenbacher - Anwendung von FE-Berechnungen beim Betriebsfestigkeitsnachweis 1 Anwendung von FE-Berechnungen beim Nachweis der Betriebsfestigkeit von Drehgestellrahmen Johann Habenbacher Stadler Altenrhein AG

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J. Habenbacher - Anwendung von FE-Berechnungen beim Betriebsfestigkeitsnachweis 1

Anwendung von FE-Berechnungen beim Nachweis der Betriebsfestigkeit von Drehgestellrahmen

Johann Habenbacher

Stadler Altenrhein AG

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Inhalt

Motivation• Aufgabengebiet bei Stadler Rail

AG

• Anforderungen (Regelwerke, Zulassungsbehörden)

• Technologische Weiterentwicklung –

Leichtbau, Konkurrenzfähigkeit

Virtueller Betriebsfestigkeitsnachweis• MKS-

Berechnungen: SIMPACK

• FE-Modell erstellen: Preprozessor: Hypermesh, ANSA

• FE-Berechnung: ABAQUS

• Postprozessor: FEMFAT

Versuche• Dauerversuche

• Streckenversuche

Zusammenfassung

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Motivation

• Stadler Rail

AG

• Hersteller von Schienenfahrzeugen

• Hauptsitz in der Schweiz

• Abteilung SDZ (Altenrhein)• Festigkeitsnachweis und Zulassung

• Fahrwerk und Wagenkasten

• Problemstellung

• Auslegung für 40 Betriebsjahre gefordert

• Komplexe Belastungen

• Festigkeitsnachweise sind in Vorschriften geregelt

• Berechnung basiert oft auf überaltertem Nennspannungskonzept

• Grundlagenforschung ist erforderlich: lokale Bemessungskonzepte

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DIVISION DEUTSCHLANDStadler PusztaszabolcsUngarn35 Mitarbeiter

DIVISION SCHWEIZ DIVISION INTERNATIONAL

StadlerBussnang AGBussnang1‘100 Mitarbeiter

Stadler Winterthur AGWinterthur200 Mitarbeiter

Stadler Altenrhein AGAltenrhein450 Mitarbeiter

Stadler Pankow GmbHBerlin 500 Mitarbeiter

Stadler SiedlcePolen60 Mitarbeiter

Stadler AlgierAlgerien30 Mitarbeiter

Stadler Rail

GroupKonsolidierter Umsatz CHF ~

1‘100 Mio. Anzahl Mitarbeiter: ~ 2’400

Stadler Pankow GmbHVelten 50 Mitarbeiter

Stadler SzolnokUngarn60 Mitarbeiter

Stadler Rail

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Doppelstocktriebzug für die SBB

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EN 13749: Drehgestellrahmen-Festigkeit

Freigabeprogramm:• rechnerischer Festigkeitsnachweis

• statische Versuche (statischer Festigkeitsnachweis, Dauerfestigkeitsnachweis)

• Dauerversuche (synthetische Strecke)

• Streckenversuche und Betriebsfestigkeitsnachweis

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Triebfahrwerkrahmen Strassenbahn

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FE-Modell

M

JC

M

M

MM

M

MM

M

JC

JC

JC

J

C

JC

JC(4x)

JC(4x)

JC(4x

)

JC(4x)

JC(4x)

JC(4x)

JC(4x

)

JC(4x) JC

JC

JCJC JC

JCJC

JC

JC

JC

Lineare Balkenelemente (B31):JC

Lineare Federelemente (JOINTC):M

Massenelemente (MASS):Distributing Coupling Elemente(DCOUP3D):Multipoint Constraint Elemente (MPC):

M

M

M

M

Anzahl Elemente:

280‘910Anzahl Knoten:

361‘983Anzahl Freiheitsgrade:

2’130’000Masse Modell:

3’542 kg

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Blechstärken

• Schalenmodell für Schweissnähte

• Guss-

und Schmiedeteile sind Volumenelemente

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Schweissnahtdefinitionen

• ca. 1400 Schweissnähte

• Berücksichtigung der SGK (EN15085)

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Schweissnahtdefinition

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Schweissnahtdefinition

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Schweissnahtdefinition im FEMFAT

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EN 13749 -

Belastungen

Beispiel Strassenbahnfahrwerk:• 64 Einzelbelastungen für den Ermüdungsfestigkeitsnachweis

• 70 Beanspruchungssituationen (Superposition)

• Belastung aus Regelwerk -

Vorgaben

und MKS –

Berechnungen

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Belastungs-Zeitverlauf

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Festigkeitsnachweis -

Methodik

• Vorgaben

• Regelwerke

• Ausreichende Überlebenswahrscheinlichkeit, Sicherheitskonzept

• Wahl der Nachweisführung• Lokales Konzept

• Kombination mit FE-Berechnungen

• Zu berücksichtigen sind:

• Auswertepunkt

• Spannungskorrektur

• Einsatz von Submodelle

• QS –Massnahmen

• Reviews

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Bewertung Konzepte

Nennspannungs-Konzept

Strukturspannungs-Konzept

Bruchmechanik-Konzepte

Kerbspannungs-Konzept

Lokales-Konzept - + + +

Kerbdetails - - - + Biegung / Zug - - +/- +

positiv annerkannt in der Branche - für Inspektionsintervalle annerkanntes lokales Nachweiskonzept

negativ

grosser Interpretationsspielraum bei der Zuordnung der

Kerbfälle

ungenügende Anzahl an Kerbdetails

nicht für den Dauerfestigkeitsnachweis

geeignet

nicht vollständig definiert - muss

erweitert werden

Festigkeitskonzepte

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Vergleich der Regelwerke

0

20

40

60

80

100

120

313

211

212

411

522

413

511

215

414

913

424

Sa,z

ul [M

Pa] b

ei R

= -1

DV 952

Kerbsp. K. 2 Mio.FKM Nennsp. K. 2 Mio.

ERRI B12/RP60

DIN 15018 B6

DIN 15018 B5

0

20

40

60

80

100

120

313

211

212

411

522

413

511

215

414

913

424

Sa,z

ul [M

Pa] b

ei R

= -1

DV 952

Kerbsp. K. 2 Mio.FKM Nennsp. K. 2 Mio.

ERRI B12/RP60

DIN 15018 B6

DIN 15018 B5

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Kerbspannungskonzept

Mittelwert-Streuung-Konzept

für Schweissverbindungen• nach Seeger → r = 1 mm für alle Werkstoffe und Kerbdetails

• Basis der IIW-Empfehlungen (XIII-2240-08/XV-1289-08)

• entwickelt für Normalspannung quer zur Schweissnaht (ab t = 6 mm)

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Datenbasis Kerbspannungskonzept

Beispiel: T-Stoss HV-Naht, verschliffen

STADLER-

Datenbank (8000 Zeilen) beinhaltet alle notwendigen Stoss-

und Nahtarten)

Ort längsβ σ n z,d β σ n B β σ n Wz,d β σ n WB β σ p

3.23 3.23 1.8

Ort längsβ σ n z,d β σ n B β σ n Wz,d β σ n WB β σ p

4.5 1.84 1.8

Ort längsβ σ n z,d β σ n B β σ n Wz,d β σ n WB β σ p

1.42 1.42 1.3

Ort längsβ σ n z,d β σ n B β σ n Wz,d β σ n WB β σ p

1.42 1.42 1.3

DM

S 4

Schweissnahtübergang Schweissnahtwurzel

Normalsp.

Schubsp. β τ β τ W

1.21

DM

S 3

Schweissnahtübergang Schweissnahtwurzel

Normalsp.

Schubsp. β τ β τ W1.21

DM

S 2

Schweissnahtübergang Schweissnahtwurzel

Normalsp.

Schubsp. β τ β τ W2.75

DM

S 1

β τ β τ W2.12

Schweissnahtübergang Schweissnahtwurzel

Normalsp.

Schubsp.

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Kerbfaktor β⊥

Experimentelle Unterschiede bei Wurzel-

und ÜbergangskerbeLösungsansatz:

metallurgische Kerbwirkung berücksichtigen

• Kerbfallkatalog wurde mit neuem Ansatz berechnet

• Versuchsergebnisse werden viel besser abgebildet

• Berücksichtigung der Werkstoffabhängigkeit

HV

HV

r = 1 mm mit metallurgischer Kerbe IIW -

klassisch

neuer Ansatz

k = 3,7

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Kerbfaktor β=

Kerbfaktoren für längs beanspruchte Schweißnähte (β=

) sind mit den vorhandenen Konzepten nicht ermittelbar.

Lösungsansatz:

Die Kerbfaktoren werden aus Relativvergleichen mit anderen Regelwerken hergeleitet (IIW, DIN 15018,....)

• beidseitig, voll durchgeschweißte Nähte: β=

= 1,4

• beidseitig, nicht voll durchgeschweißte Nähte:

β=

= 1,6

• einseitig geschweißte Nähte:

β=

= 1,8

IIW Nr. 111:

FAT 160

Nr. 312:

FAT 125

Nr. 322:

FAT 100

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Kerbfaktor βτ

Kerbfaktoren für auf Schub beanspruchte Schweißnähte (βτ

) sind mit dem beschriebenen Konzept nicht ermittelbar.

Lösungsansatz:

Die Kerbfaktoren werden aus Relativvergleichen mit anderen Regelwerken hergeleitet (IIW, DIN 15018,....)

• beidseitig, voll durchgeschweißte Nähte: βτ

= 1,4

• beidseitig, nicht voll durchgeschweißte Nähte:

βτ

= 1,6

• einseitig geschweißte Nähte:

βτ

= 1,8

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Mittelspannungseinfluss

Geschweisste Bauteile aus Stahl• FKM-Richtlinie mit Mσ

= 0,15 (für mittlere Beeinträchtigung durch Eigenspannung)

• Vorgangsweise deckt sich sehr gut mit Versuchsergebnissen

• geringe Abweichungen gegenüber den IIW-Empfehlungen

400 350 300 250 200 150 100 50 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600

25

50

75

100

125

150

175

200S355, Haigh-Diagramm, Normalspannungen

Mittelspannung

Span

nung

sam

plitu

de

200

0

S a S m( )

600400− S m

IIW

FKM R = -1 R = 0 R = 0,5

R = -

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Blechdickeneinfluss

• IIW, FKM, Eurocode, BS 7608, DVS1612

• für dünne Bleche (t ≤

3 mm) aus Stahl gilt FAT 630 mit r = 0,05 mm

→ das ergibt einen Bonusfaktor von 2,8! (FEMFAT -

Bonusfaktor 1,8)

3,01,0

2510

≤≤

≤≤⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

n

tt

tf eff

neff

t

0.50

0.75

1.00

1.25

1.50

1.75

2.00

2.25

2.50

2.75

0 5 10 15 20 25 30 35 40

t [mm]

f(t) =

Sa(

t) / S

a(t =

25m

m) n_IIW = 0,1

n_IIW = 0,2

n_IIW = 0,3

n = 0,1

n = 0,2

n = 0,3

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Verbesserungsmassnahmen

Nachträgliche Bearbeitung der Schweißnaht (IIW-Empfehlungen)• Verschleifen

• Erzeugung von Druckeigenspannungen

• Aufschmelzen

• Prozesssicherheit in der Serie?

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Ergebnis

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J. Habenbacher - Anwendung von FE-Berechnungen beim Betriebsfestigkeitsnachweis 28

Rechnerischer Festigkeitsnachweis -

Ergebnisse

Statischer Festigkeitsnachweis• Sonderlastfälle gegen Bruch, unzulässige Verformung usw.

• Untersuchung von Stabilitätsproblemen

• lineare und nichtlineare Berechnungen

Ermüdungsfestigkeitsnachweis• Grundwerkstoff und alle Schweissnähte

• Mittels Postprozessor FEMFAT und eigenen Datenbanken

Aufwand

• Konstruktion: ca. 4.000 h

• FE-Modell erstellen: 200 h

• Schweissnahtdefinitionen: 100 h

• gesamte Berechnung: ca. 800 h

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Verifikation der Berechnung durch Versuche

Unsicherheitsfaktoren• Fertigungstoleranzen

• Geometrie, Wandstärken

• Steifigkeiten (nichtlineare Federn, Gummi)

• Werkstoffkenngrössen

• Ertragbare Werte sind nicht ausreichend abgesichert

• Temperatureinflüsse

• unsichere Lastannahmen

Verifikation durch Versuche• Prüfstandversuche

• statischer Versuche

• Dauerversuche (quasi Ausfallprüfung)

• Streckenversuche -

Betriebsfestigkeitsnachweis

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J. Habenbacher - Anwendung von FE-Berechnungen beim Betriebsfestigkeitsnachweis 30

Z04/Z05

Z09 Z08

SX1

SX2

Z14

SY1 SY2

SZ4

V1 (SZ1)

SZ3

SZ2

Z02

Z06

Z07

Z11

Z12

Z10

Z13

Q1/ Achs-verwindung

Z03a

Z03

Z1

Z16

Z01Z19

Q2

Q3Q4

EN 13749 -

Versuchsprogramm

Prüfstandversuche• 10 -

25 Zylinder für Ermüdungsfestigkeitsnachweis

• 10 Mio. Lastwechsel

• Versuchsdauer ca. 8 Monate Load run 100% loads completeIMA-pr.no.: C041/08-1

-125

-100

-75

-50

-25

0

25

50

75

100

0 10 20 30 40 50 60 70

load cycles

load

[kN

] axl

e to

rsio

n [m

m]

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Prüfstandversuche

100 Dehnmessstreifen zur Überwachung der Versuche• Verifikation von Simulation und Versuch

• hohe Kosten bei Versagen des Rahmens

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Dauerversuche bei der IMA-

in Dresden

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EN 13749 -

Streckenversuche

Betriebsfestigkeitsnachweis -

Kurzzeit-

und Langzeitmessungen• Rainflow-Klassierung

der Beanspruchungen

• Amplitudentransformation auf einparametriges schädigungsäquivalentes Kollektiv

• Schädigungsrechnung mittels Miner-Akkumulation

(M) (WL, Dm

)aBK

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Betriebsfestigkeitsnachweis

• Erkenntnisse über die realen Lastannahmen

• Lebensdauerabschätzungen und Prüfintervallbestimmungen sind möglich

• Risiko bei nachträglichen Umbauten des Fahrzeugs kann abgeschätzt werden

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J. Habenbacher - Anwendung von FE-Berechnungen beim Betriebsfestigkeitsnachweis 35

Zusammenfassung

Vorteile der virtuellen Produktentwicklung

• detaillierte Berechnung

• freigaberelevant

• Risikominimierung

• Leichtbau

Unsicherheiten

• Lastannahmen (bei neuen Fahrzeugkonzepten –

MKS)

• nichtlineare Berechnungen (Auslegungswerte sind nicht reale Werte)

• unsichere Werkstoffparameter