Computational assessment of damage in switch rails by means of dynamic FE-analyses and a new material assessment software

Titel in Übersetzung: Rechnerische Schadensbewertung in Weichenschienen mittels dynamischer FE-Analysen und einer neuen Materialbewertungssoftware

Sebastian Gapp

Publikation: Thesis / Studienabschlussarbeiten und HabilitationsschriftenMasterarbeit

Abstract

Im Rahmen dieser Masterarbeit wird die Schädigung von Zungenschienen aus zwei Schienenstahlsorten beurteilt. Eine dynamische FE-Analyse und eine neue, mit Python am Materials Center Leoben (MCL) entwickelte, Materialbewertungssoftware namens ’Assessment Tool’ werden kombiniert. Insbesondere wird die Schädigung durch den Einfluss unterschiedlich verschlissener Räder mit Standardgeometrie S1002 auf eine toz+ 60E1-500 1:12 Zungenschiene untersucht. Aus dem FE-Modell werden zunächst die lokalen Kontaktlasten nach 100 Belastungszyklen unter Berücksichtigung eines elastisch-plastischen Materialverhaltens extrahiert. Anschließend werden die charakteristischen Kontaktparameter maximaler Kontaktdruck pmax, longitudinale Creepage cL und Kontaktlänge 2a ausgewertet und an das Assessment Tool übergeben. Im Assessment Tool werden vier verschiedene Schädigungsmechanismen untersucht: Die Verschleißtiefe nach dem Modell von Archard [1], das energiebasierte T− Modell [2], die Rissinitiierung an der Oberfläche nach der Shakedown-Theorie [3], sowie Rissinitiierung unter der Oberfläche nach dem Dang-Van-Kriterium[4] werden bewertet. Das Assessment Tool berücksichtigt die plastische Verformung nicht direkt, es wird jedoch davon ausgegangen, dass sich die Spannungen nach 100 Lastwechseln stabilisieren und ein eingelaufener Zustand vorherrscht. Das Assessment Tool ermöglicht es, mit geringem Rechenaufwand die Schadensindikatoren für unterschiedliche Belastungskonstellationen bezüglich Radverteilungen und Tonnage zu berechnen. Das Bewertungstool enthält jedoch einige Näherungen, die sich auf die Genauigkeit der Ergebnisse auswirken. Daher wird zur Validierung der Ergebnisse ein Benchmarking der in dem FE-Postprocessing berechneten Schadensparameter und denen des Assessment Tools durchgeführt. Die maximal beobachtete Abweichung beträgt weniger als 30 %. Folglich ist das Assessment Tool anwendbar, um Zungenschienen mit sehr geringem Rechenaufwand schnell zu bewerten.
Es zeigte sich, dass für die untersuchte Weichengeometrie, Belastungsbedingung und Werkstoffe (R350HT und 400UHC) der Verschleiß der dominierende Schadensmechanismus ist. Der Materialvergleich besagt, dass der Schienenstahl 400UHC, welcher eine höherer Härte als der R350HT besitzt, eine bessere Schadensresistenz aufweist.
Diese Arbeit zeigt, dass das Assessment Tool ein leistungsstarkes Werkzeug ist, um verschiedene Materialien unter Verwendung lokaler Kontaktbelastungen schnell bewerten und vergleichen zu können. Daher ist auch eine Anwendung auf andere Bahnkomponenten wie Weichenherze oder Backenschienen denkbar.
Titel in ÜbersetzungRechnerische Schadensbewertung in Weichenschienen mittels dynamischer FE-Analysen und einer neuen Materialbewertungssoftware
OriginalspracheEnglisch
QualifikationDipl.-Ing.
Gradverleihende Hochschule
  • Montanuniversität
Betreuer/-in / Berater/-in
  • Antretter, Thomas, Betreuer (intern)
Datum der Bewilligung17 Dez. 2021
PublikationsstatusVeröffentlicht - 2021

Bibliographische Notiz

gesperrt bis 09-11-2026

Schlagwörter

  • Rollkontakt
  • Rad/Schiene Interaktion
  • Finite Elemente
  • Rollkontakt-Ermüdung
  • Verschleiß
  • Weichen und Kreuzungen
  • Zungenschienenschädigung

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