2D-Modellierung von thermomechanischen Ermüdungsvorgängen in Hochleistungsbremsscheiben für Bahnsysteme

Manuel Schemmel

2D-Modellierung von thermomechanischen Ermüdungsvorgängen in Hochleistungsbremsscheiben für Bahnsysteme

Translated title of the contribution: 2D modeling of thermo-mechanical fatigue processes in high performance brake discs for railway systems

Manuel Schemmel

Chair of Mechanics (400)

Research output: Thesis › Diploma Thesis

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Abstract

Brake discs represent an important part of the entire brake management of railway trains. During emergency braking or in case of failure of other brake systems brake discs are under extremely high thermal and mechanical loadings as they have to convert the majority of kinetic energy into heat. The thermo-mechanical loadings cause the formations of residual stresses and permanent deformations. In order to guarantee safe operation these effects must not exceed certain tolerances and need to be tested experimentally and numerically. Due to high computing effort in three dimensions it is hardly possible to investigate the brake process using a 3D model with a moving heat source. Therefore the goal of this diploma thesis is to develop a 2D model based on an existing 3D model of a brake disc and furthermore to model a specific brake process. Two disc materials, different modeling strategies and the different models are compared with each other. A good correlation between the models could be achieved which enables the 2D model to be used for future applications, such as the implementation of surface roughness or the examination of fracture mechanics processes.

Translated title of the contribution	2D modeling of thermo-mechanical fatigue processes in high performance brake discs for railway systems
Original language	German
Qualification	Dipl.-Ing.
Supervisors/Advisors	Antretter, Thomas, Supervisor (internal)
Award date	14 Dec 2012
Publication status	Published - 2012

Bibliographical note

embargoed until 24-09-2017

Keywords

brake disc
thermo-mechanical fatigue
residual stresses
simulation

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VolltextFinal published version, 6.75 MB

Cite this

@phdthesis{dab017e19386464e9435886dafcb9ac1,

title = "2D-Modellierung von thermomechanischen Erm{\"u}dungsvorg{\"a}ngen in Hochleistungsbremsscheiben f{\"u}r Bahnsysteme",

abstract = "Bremsscheiben stellen einen wichtigen Teil des gesamten Bremsmanagements im Eisenbahnwesen dar. Bei Notbremsungen oder dem Ausfall von anderen Bremssystemen werden die Bremsscheiben thermisch und mechanisch in h{\"o}chstem Ma{\ss}e belastet, da diese den Hauptteil der kinetischen Energie in W{\"a}rme umwandeln m{\"u}ssen. Diese thermomechanischen Belastungen bewirken eine Ausbildung von Eigenspannungen und bleibenden Deformationen. Um einen sicheren Fahrbetrieb zu gew{\"a}hrleisten d{\"u}rfen diese Effekte bestimmte Toleranzen nicht {\"u}berschreiten und m{\"u}ssen daher experimentell und numerisch {\"u}berpr{\"u}ft werden. Aufgrund des hohen Rechenaufwandes im Dreidimensionalen ist es kaum m{\"o}glich, den Bremsprozess in einem 3D-Modell mit einer bewegten W{\"a}rmequelle zu untersuchen. Ziel dieser Diplomarbeit ist es daher, ein 2D-Modell zu einem bestehenden 3D-Modell einer Bremsscheibe zu entwickeln und mit diesem ein ausgew{\"a}hltes Bremsszenario abzubilden. Es werden zwei Bremsscheibenmaterialien, unterschiedliche Modellierungsstrategien und die unterschiedlichen Modelle selbst untereinander verglichen. Es zeigt sich eine gute {\"U}bereinstimmung zwischen den Modellen, was das 2D-Modell bef{\"a}higt, f{\"u}r zuk{\"u}nftige Anwendungen, wie der Implementierung von Oberfl{\"a}chenrauigkeiten oder der Untersuchung von bruchmechanischen Vorg{\"a}ngen, eingesetzt zu werden.",

keywords = "brake disc, thermo-mechanical fatigue, residual stresses, simulation, Bremsscheibe, thermomechanische Erm{\"u}dung, Eigenspannungen, Simulation",

author = "Manuel Schemmel",

note = "gesperrt bis 24-09-2017",

year = "2012",

language = "Deutsch",

type = "Diploma Thesis",

}

TY - THES

T1 - 2D-Modellierung von thermomechanischen Ermüdungsvorgängen in Hochleistungsbremsscheiben für Bahnsysteme

AU - Schemmel, Manuel

N1 - gesperrt bis 24-09-2017

PY - 2012

Y1 - 2012

N2 - Bremsscheiben stellen einen wichtigen Teil des gesamten Bremsmanagements im Eisenbahnwesen dar. Bei Notbremsungen oder dem Ausfall von anderen Bremssystemen werden die Bremsscheiben thermisch und mechanisch in höchstem Maße belastet, da diese den Hauptteil der kinetischen Energie in Wärme umwandeln müssen. Diese thermomechanischen Belastungen bewirken eine Ausbildung von Eigenspannungen und bleibenden Deformationen. Um einen sicheren Fahrbetrieb zu gewährleisten dürfen diese Effekte bestimmte Toleranzen nicht überschreiten und müssen daher experimentell und numerisch überprüft werden. Aufgrund des hohen Rechenaufwandes im Dreidimensionalen ist es kaum möglich, den Bremsprozess in einem 3D-Modell mit einer bewegten Wärmequelle zu untersuchen. Ziel dieser Diplomarbeit ist es daher, ein 2D-Modell zu einem bestehenden 3D-Modell einer Bremsscheibe zu entwickeln und mit diesem ein ausgewähltes Bremsszenario abzubilden. Es werden zwei Bremsscheibenmaterialien, unterschiedliche Modellierungsstrategien und die unterschiedlichen Modelle selbst untereinander verglichen. Es zeigt sich eine gute Übereinstimmung zwischen den Modellen, was das 2D-Modell befähigt, für zukünftige Anwendungen, wie der Implementierung von Oberflächenrauigkeiten oder der Untersuchung von bruchmechanischen Vorgängen, eingesetzt zu werden.

AB - Bremsscheiben stellen einen wichtigen Teil des gesamten Bremsmanagements im Eisenbahnwesen dar. Bei Notbremsungen oder dem Ausfall von anderen Bremssystemen werden die Bremsscheiben thermisch und mechanisch in höchstem Maße belastet, da diese den Hauptteil der kinetischen Energie in Wärme umwandeln müssen. Diese thermomechanischen Belastungen bewirken eine Ausbildung von Eigenspannungen und bleibenden Deformationen. Um einen sicheren Fahrbetrieb zu gewährleisten dürfen diese Effekte bestimmte Toleranzen nicht überschreiten und müssen daher experimentell und numerisch überprüft werden. Aufgrund des hohen Rechenaufwandes im Dreidimensionalen ist es kaum möglich, den Bremsprozess in einem 3D-Modell mit einer bewegten Wärmequelle zu untersuchen. Ziel dieser Diplomarbeit ist es daher, ein 2D-Modell zu einem bestehenden 3D-Modell einer Bremsscheibe zu entwickeln und mit diesem ein ausgewähltes Bremsszenario abzubilden. Es werden zwei Bremsscheibenmaterialien, unterschiedliche Modellierungsstrategien und die unterschiedlichen Modelle selbst untereinander verglichen. Es zeigt sich eine gute Übereinstimmung zwischen den Modellen, was das 2D-Modell befähigt, für zukünftige Anwendungen, wie der Implementierung von Oberflächenrauigkeiten oder der Untersuchung von bruchmechanischen Vorgängen, eingesetzt zu werden.

KW - brake disc

KW - thermo-mechanical fatigue

KW - residual stresses

KW - simulation

KW - Bremsscheibe

KW - thermomechanische Ermüdung

KW - Eigenspannungen

KW - Simulation

M3 - Diplomarbeit

ER -