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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
J. Habenbacher - Anwendung von FE-Berechnungen beim Betriebsfestigkeitsnachweis 2
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
J. Habenbacher - Anwendung von FE-Berechnungen beim Betriebsfestigkeitsnachweis 3
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
J. Habenbacher - Anwendung von FE-Berechnungen beim Betriebsfestigkeitsnachweis 4
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
J. Habenbacher - Anwendung von FE-Berechnungen beim Betriebsfestigkeitsnachweis 5
Doppelstocktriebzug für die SBB
J. Habenbacher - Anwendung von FE-Berechnungen beim Betriebsfestigkeitsnachweis 6
EN 13749: Drehgestellrahmen-Festigkeit
Freigabeprogramm:• rechnerischer Festigkeitsnachweis
• statische Versuche (statischer Festigkeitsnachweis, Dauerfestigkeitsnachweis)
• Dauerversuche (synthetische Strecke)
• Streckenversuche und Betriebsfestigkeitsnachweis
J. Habenbacher - Anwendung von FE-Berechnungen beim Betriebsfestigkeitsnachweis 7
Triebfahrwerkrahmen Strassenbahn
J. Habenbacher - Anwendung von FE-Berechnungen beim Betriebsfestigkeitsnachweis 8
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
J. Habenbacher - Anwendung von FE-Berechnungen beim Betriebsfestigkeitsnachweis 9
Blechstärken
• Schalenmodell für Schweissnähte
• Guss-
und Schmiedeteile sind Volumenelemente
J. Habenbacher - Anwendung von FE-Berechnungen beim Betriebsfestigkeitsnachweis 10
Schweissnahtdefinitionen
• ca. 1400 Schweissnähte
• Berücksichtigung der SGK (EN15085)
J. Habenbacher - Anwendung von FE-Berechnungen beim Betriebsfestigkeitsnachweis 11
Schweissnahtdefinition
J. Habenbacher - Anwendung von FE-Berechnungen beim Betriebsfestigkeitsnachweis 12
Schweissnahtdefinition
J. Habenbacher - Anwendung von FE-Berechnungen beim Betriebsfestigkeitsnachweis 13
Schweissnahtdefinition im FEMFAT
J. Habenbacher - Anwendung von FE-Berechnungen beim Betriebsfestigkeitsnachweis 14
EN 13749 -
Belastungen
Beispiel Strassenbahnfahrwerk:• 64 Einzelbelastungen für den Ermüdungsfestigkeitsnachweis
• 70 Beanspruchungssituationen (Superposition)
• Belastung aus Regelwerk -
Vorgaben
und MKS –
Berechnungen
J. Habenbacher - Anwendung von FE-Berechnungen beim Betriebsfestigkeitsnachweis 15
Belastungs-Zeitverlauf
J. Habenbacher - Anwendung von FE-Berechnungen beim Betriebsfestigkeitsnachweis 16
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
J. Habenbacher - Anwendung von FE-Berechnungen beim Betriebsfestigkeitsnachweis 17
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
J. Habenbacher - Anwendung von FE-Berechnungen beim Betriebsfestigkeitsnachweis 18
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
J. Habenbacher - Anwendung von FE-Berechnungen beim Betriebsfestigkeitsnachweis 19
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)
J. Habenbacher - Anwendung von FE-Berechnungen beim Betriebsfestigkeitsnachweis 20
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.
J. Habenbacher - Anwendung von FE-Berechnungen beim Betriebsfestigkeitsnachweis 21
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
J. Habenbacher - Anwendung von FE-Berechnungen beim Betriebsfestigkeitsnachweis 22
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
J. Habenbacher - Anwendung von FE-Berechnungen beim Betriebsfestigkeitsnachweis 23
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
J. Habenbacher - Anwendung von FE-Berechnungen beim Betriebsfestigkeitsnachweis 24
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 = -
∞
J. Habenbacher - Anwendung von FE-Berechnungen beim Betriebsfestigkeitsnachweis 25
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
J. Habenbacher - Anwendung von FE-Berechnungen beim Betriebsfestigkeitsnachweis 26
Verbesserungsmassnahmen
Nachträgliche Bearbeitung der Schweißnaht (IIW-Empfehlungen)• Verschleifen
• Erzeugung von Druckeigenspannungen
• Aufschmelzen
• Prozesssicherheit in der Serie?
J. Habenbacher - Anwendung von FE-Berechnungen beim Betriebsfestigkeitsnachweis 27
Ergebnis
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
J. Habenbacher - Anwendung von FE-Berechnungen beim Betriebsfestigkeitsnachweis 29
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
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]
J. Habenbacher - Anwendung von FE-Berechnungen beim Betriebsfestigkeitsnachweis 31
Prüfstandversuche
100 Dehnmessstreifen zur Überwachung der Versuche• Verifikation von Simulation und Versuch
• hohe Kosten bei Versagen des Rahmens
J. Habenbacher - Anwendung von FE-Berechnungen beim Betriebsfestigkeitsnachweis 32
Dauerversuche bei der IMA-
in Dresden
J. Habenbacher - Anwendung von FE-Berechnungen beim Betriebsfestigkeitsnachweis 33
EN 13749 -
Streckenversuche
Betriebsfestigkeitsnachweis -
Kurzzeit-
und Langzeitmessungen• Rainflow-Klassierung
der Beanspruchungen
• Amplitudentransformation auf einparametriges schädigungsäquivalentes Kollektiv
• Schädigungsrechnung mittels Miner-Akkumulation
(M) (WL, Dm
)aBK
J. Habenbacher - Anwendung von FE-Berechnungen beim Betriebsfestigkeitsnachweis 34
Betriebsfestigkeitsnachweis
• Erkenntnisse über die realen Lastannahmen
• Lebensdauerabschätzungen und Prüfintervallbestimmungen sind möglich
• Risiko bei nachträglichen Umbauten des Fahrzeugs kann abgeschätzt werden
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