FEM in der Eisenbahn- Weichentechnik

FEM in der Eisenbahn- Weichentechnik voestalpine VAE Vortragender: Uwe Oßberger www.voestalpine.com/vae

Inhalt Einleitung Engineering-Prozess @ voestalpine VAE FEA-Software ANSYS Anwendungsbeispiele: Beispiel 1: Radlenkerstuhl Beispiel 2: Rippenplatte Beispiel 3: Weichenherz Beispiel 4: APDL Bewegliches Herz Beispiel 5: APDL Auftragsschweißen Beispiel 6: APDL Wärmebehandlung Zusammenfassung / Ausblick 2

Einleitung Quelle: ÖBB 4

Einleitung Herstellungsprozesse (mit thermischer Materialbelastung) Zungenschienenausballungen (Gesenkschmieden) Abbrennstumpfschweißen Induktionshärten des Schienenkopfes 5

Engineering Prozess Aktueller Stand bei Produktentwicklungen: Design Neue und hochbelastete Komponenten Endprodukt Festigkeitsbewertung Strukturmechanik FEA von Komponenten Belastungen aus Normen/Spezifikationen Verifikation Messungen Design Design Bewertung Aktueller Stand bei Prozessentwicklungen: Mehrkörpersimulation Prozess- Parameter Versuche Unterstützende FEA Endprozess 6

Ziel: Vollständiger Engineering-Prozess Produktentwicklung: Design Mehrkörper- Simulation Loads Strukturmechanik FEA - Komponenten Endprodukt Masse/Steifigkeit Strukturmechanik FEA Verifikation Messungen Prozessentwicklung: Prozessparameter Prozess-FEA Versuche Endprozess Hohe Anforderungen an Automation 7

FEA-Software ANSYS voestalpine VAE benützt ANSYS seit 2015: ANSYS workbench & SpaceClaim direct modeller ANSYS ADPL classic Vorteile: Sehr effektiv zur Bewertung neuer Designs Zeiteffizientes Pre-/Postprocessing Sehr gute grafische Bedienoberfläche Vorteile: Vollständig parametrisierte Simulationslösungen möglich Benutzerdefiniertes Post-Processing 8

ANSYS workbench Beispiel 1: Radlenkerstuhl Finite-Element-Analyse eines Radlenkerstuhls, gefolgt von einer Festigkeitsbewertung des Gusses und der Schrauben. M22 (150Nm Anziehdrehmoment, Festigkeitsklasse 5.6) mit doppeltem Federring. G20Mn5 or GS20Mn5 M24 (200Nm Anziehdrehmoment, Festigkeitsklasse 5.6) mit doppeltem Federring. EVA Belastung: 50kN (basierend auf DIN EN 13481-7) 10

ANSYS workbench Beispiel 1: Radlenkerstuhl Lastfall 1 Lastfall 2 Model Aufbringen der Vorspannkraft der Schrauben in Lastfall 1. Sperren der vorgespannten Schrauben in Lastfall 2; hinzufügen einer horizontalen Lastkomponente 11

Last (N) ANSYS workbench Beispiel 1: Radlenkerstuhl Halbautomatische Kontaktgenerierung Reibungsfreier Kontakt zwischen Radlenkerstuhl und Radlenker Reibungsbehafteter Kontakt (μ=0.3) zwischen Schwelle, Unterlage und Radlenkerstuhl Nichtlineares Federelement als Ersatz für den doppelten Federring (FE24, Kennlinie aus Messung) Gekoppelte Fläche (deformable) Nichtlineares Federelement Gekoppelte Fläche (deformable) 50000 40000 30000 20000 10000 0 0 2 4 6 Verschiebung (mm) 12

ANSYS workbench Beispiel 1: Radlenkerstuhl, Festigkeitsbewertung Festigkeitsbewertung nach der FKM-Richtlinie: Punkt 1: σ v = 170 MPa σ 1 = 0 MPa σ 2 = -2 MPa σ 3 = -165 MPa Auslastungsgrad (Statisch): 47% Auslastungsgrad (Ermüdung): 89% Punkt 2: σ v = 168 MPa σ 1 = 176 MPa σ 2 = 32 MPa σ 3 = 5 MPa Auslastungsgrad (Statisch): 77% Auslastungsgrad (Ermüdung): 96% 13

ANSYS workbench Beispiel 1: Radlenkerstuhl, Festigkeitsnachweis How-to: Festigkeitsbewertung auf Basis der FKM-Richtlinie Spannungsamplitude σ A Dauerfestigkeitslimit Schwingspiele N 14

ANSYS workbench Beispiel 1: Radlenkerstuhl, Schraubennachweis Schraube 1 (Vorspannkraft 37kN = 150Nm) Schraube 2 (Vorspannkraft 45kN = 200Nm) Schraube 3 (Vorspannkraft 45kN = 200Nm) Festigkeitsnachweis auf Basis der VDI2230 Richtlinie: Schraube 1: Sicherheit g. Streckgrenze: 2,60 Sicherheit Ermüdung: >1000 Schraube 2: Sicherheit g. Streckgrenze: 2,56 Sicherheit Ermüdung: 6,32 Schraube 3: Sicherheit g. Streckgrenze: 2,72 Sicherheit Ermüdung: 9,75 (Setzen der Schrauben vernachlässigt). σ ad = 30MPa für Festigkeitsklasse 5.6 15

ANSYS workbench Beispiel 2: Rippenplatte Stumpfnaht Quelle: wikipedia.org Schienenbefestigung: Super-elastische Lagerung (Für den Einsatz in einer Metro) Quelle: Vossloh fastening systems 16

ANSYS workbench Beispiel 2: Rippenplatte Materialeigenschaften der elastischen Plattenunterlage: Last-Verschiebungs-Charakteristik aus Druckversuchen (Belastungskurve) Übertragung der Charakteristik auf Gasket-Elemente (Tabellenwerte), Gasket-Elemente übertragen nur Druckkräfte => deshalb vereinfachte Kontaktbedingung. Tabellenwerte für Gasket-Materialeigenschaften: Verschiebung (mm) Druck (MPa) Last (N) 0,000 0,000 0,00 0,122 0,019 1058,55 0,718 0,143 8177,31 1,797 0,354 20160,55 2,604 0,497 28347,12 3,254 0,656 37364,21 3,778 0,845 48160,99 4,191 1,076 61330,69 4,528 1,372 78178,41 4,793 1,751 99771,97 17

ANSYS workbench Beispiel 2: Rippenplatte, Clip & Pad Bewertung Verformung der Plattenunterlage ( Gasket ) unter Last, Verformung der Spannklemmen: LC1 Kompression der Unterlage: Min: 0,07 mm Max: 1,74 mm Fahrkante: +0,8mm SKL21 (Klemmkraft, Federweg) 11001N 16,00mm 11001N 16,00mm LC2 Kompression der Unterlage: Min: 0,61 mm Max: 4,63 mm Fahrkante: -2,4mm SKL21 (Klemmkraft, Federweg) 9038N 13,15mm 13153N 16,15mm LC3 Kompression der Unterlage: Min: 1,26 mm Max: 3,04 mm Fahrkante: +1,2mm SKL21 (Klemmkraft, Federweg) 10398N 15,12mm 11960N 16,07mm 18

Normal stress (MPa) ANSYS workbench Beispiel 2: Rippenplatte, Schweißnahtbewertung σ x,max = -58 MPa Festigkeitsnachweis LC1 100 50 σ x,max = -101 MPa 0-50 -100 0 50 100 150 200 LC2-150 Distance (mm) LC1 LC2 LC3 Delta sigma LC3 σ x,max = -28 MPa Δσ x,max = 72 MPa Festigkeitsbewertung nach den Empfehlungen des IIW: FAT80, Δσ D = 58,9 MPa, γ M = 1.4 DOU = 171% 19

ANSYS workbench Beispiel 2: Rippenplatte, Schweißnahtbewertung How-to: Ermüdungsfestigkeit nach den Empfehlungen des IIW Verschiedene konstruktive Schweißnahtdetails sind klassifiziert: FAT category Wöhlerlinie Berechnete Spannungsschwingbreite Zulässige Spannungsschwingbreite 20

ANSYS workbench Beispiel 3: Weichenherz Berechnung einer großen Gussstruktur Großes Modell mit relativ grober Vernetzung (Tetraeder) Last-Verteilung bei kontinuierlicher elastischer Lagerung 21

ANSYS workbench Beispiel 3: Weichenherz Automatische Übertragung der Randbedingungen auf ein Submodell: Darstellung der Ergebnisse Vernetzung mit geringer Elementkantenlänge und Hexaeder möglich: Festigkeitsnachweis basierend auf der FKM-Richtlinie 22

Strukturmechanik APDL, Beispiel 4: Bewegliches Herz Quelle: voestalpine BWG Parametrisierte Auswertung eines beweglichen Herzstücks mit ANSYS Parametric Design Language (APDL) Automatisierte Geometrieerzeugung (CAD input) Automatisiertes Lesen der Querschnitte (CAD input) FE-Modell aus Balken-Elementen Ausgabe: Biegelinie => Einfluss auf Spurweite Ausgabe: Umstellkräfte Verformungsergebnis: Automatisierte Auswertung der Querschnitte 23

Transient thermisch APDL, Beispiel 5: Auftragsschweißen Parametrisiertes Auftragsschweißen (dynamische Element-Erzeugung) mit ANSYS Parametric Design Language (APDL): 24 Model Element Birth/Death Berechnung der thermischen Zyklen Vergleich Berechnung/Messung Merkmale: Berechnung der thermischen Zyklen beim Auftragsschweißen in Abhängigkeit von Prozessparametern (Vorwärmtemperatur, Zwischenlagentemperatur, Elektrodendurchmesser ). Näherungslösung: Phasenumwandlung unberücksichtigt. Weitere Bewertungen (z.b. mit Dilatometer) sind möglich.

Transient thermisch APDL, Beispiel 6: Härten Kopfhärten einer Herzspitze in einem Verbundherzstück Anschlussschienen Herzspitze Flügelschienen Temperaturverteilung nach dem Härten Parametrisiertes Härten mit ANSYS Parametric Design Language (APDL) Parametrisierte Prozessparameter (Zeit in Härtemedium, Eintauchtiefe, Geometrie ) Näherungslösung: Phasenumwandlung unberücksichtigt Benutzerdefiniertes Field Output, z.b. t 8,5 Zeiten Härteverteilung nach dem Härten (durch Auswertung der t 8,5 -Zeiten) 25

Zusammenfassung & Ausblick Verwendung von ANSYS bei voestalpine VAE: Hauptsächlich für strukturmechanische Analysen Anschließend spannungsbasierende Festigkeitsnachweise Die Lasten sind typischerweise spezifiziert. Wir wollen in Zukunft verbessern: Prozesssimulation (Berücksichtigung der Phasenumwandlung mittels material subroutine, Aufbau von Simulationslösungen zum Induktionshärten und Abbrennstumpfschweißen, ) Aufbau verschiedener parametrisierter Lösungen. (Ziel: schnelle Ergebnisse, halbautomatische Berichte, ) Langfristiges Ziel: Der vollständige Engineering-Prozess. 27