Weiterentwicklung und Analyse des Simulationsmodells für plastische Verformung im Rad-Schiene-Kontakt bei unterschiedlich wärmebehandelten Schienenwerkstoffen

Die Schiene stellt keinen ideal starren Körper dar, sondern wird durch die Befahrung mit Schienenfahrzeugen mechanisch beansprucht. Besonders während der Beschleunigungs- und Bremsvorgänge treten hohe Kontaktspannungen im Rad-Schiene-Kontakt auf, die zu plastischen Verformungen in der oberflächennahen Randschicht führen. Mit zunehmender Anzahl von Überrollungen begünstigen diese Verformungen die Initiierung und das Wachstum von Rissen. Zur experimentellen Untersuchung solcher Schädigungsmechanismen werden häufig Twin-DiskVersuche eingesetzt. Diese ermöglichen eine kontrollierte Nachbildung schlupfbehafteter Rollkontakte, sind jedoch insbesondere bei hohen Zyklenzahlen mit erheblichem zeitlichem und finanziellem Aufwand verbunden. Vor diesem Hintergrund wird in dieser Arbeit ein numerischer Ansatz auf Basis der FiniteElemente-Methode unter Verwendung der kommerziellen FE-Software Abaqus entwickelt. Eine bestehende Simulation, die bislang nur eine begrenzte Anzahl explizit berechneter Belastungszyklen abbildet und deren Ergebnisse auf höhere Zyklenzahlen extrapoliert werden, wird analysiert und weiterentwickelt. Aufgrund des nichtlinearen Verfestigungsverhaltens der untersuchten Schienenstähle wird dabei insbesondere untersucht, inwieweit sich Ergebnisse aus der Frühphase der Belastung zuverlässig auf höhere Zyklenzahlen übertragen lassen. Die Ergebnisse zeigen, dass eine Extrapolation der Verformungs- und Beanspruchungsgrößen aus wenigen Belastungszyklen die Entwicklung bei höheren Zyklenzahlen nicht zuverlässig beschreibt. Für eine realistische Abbildung der zyklischen Materialbeanspruchung ist daher eine explizite Berechnung einer großen Anzahl von Überrollzyklen erforderlich. Das in dieser Arbeit weiterentwickelte Simulationsmodell schafft hierfür die notwendige Grundlage und erlaubt eine differenzierte Bewertung der Grenzen von Extrapolationsansätzen im Rollkontakt.