Rechnerische Lebensdauerabschätzung für stochastische Lasten im Schienenfahrzeugbau:
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Siegen
FOMAAS
1999
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14 |
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STRUKTUROPTIMIERUNG RECHNERISCHE LEBENSDAUERABSCHAETZUNG FUER
STOCHASTISCHE LASTEN IM SCHIENENFAHRZEUGBAU DISSERTATION ZUR ERLANGUNG
DES AKADEMISCHEN GRADES DOKTOR-INGENIEUR VORGELEGT VON DIPL.-ING.
MATTHIAS FLACH AUS LIMBURG/LAHN GENEHMIGT VOM FACHBEREICH
MASCHINENTECHNIK DER UNIVERSITAET SIEGEN REFERENT: UNIV.-PROF. DR.-ING.
HANS A. ESCHENAUER KORREFERENT: UNIV.-PROF. DR.-ING. HORST IDELBERGER
FOMAAS TAG DER MUENDLICHEN PRUEFUNG: 23. APRIL 1999 INHALTSVERZEICHNIS I
INHALTSVERZEICHNIS SYMBOLVERZEICHNIS V 1. EINLEITUNG 1 1.1 STAND DER
TECHNIK 1 1.1.1 AUFBAU EINES SCHIENENFAHRZEUGS - PROBLEMBESCHREIBUNG 1
1.1.2 BERECHNUNG VON DREHGESTELLRAHMEN AUFGRUND BESTEHENDER
VORSCHRIFTEN.... 4 1.1.2.1 VORSCHRIFTENUEBERBLICK 4 1.1.2.2 GRUNDLAGEN
DER BEMESSUNG 6 1.1.2.3 KRITIK AN DEN BESTEHENDEN VORSCHRIFTEN 9 1.2
LITERATURUEBERSICHT ZUR BETRIEBSFESTEN AUSLEGUNG VON DREHGESTELLRAHMEN 10
1.2.1 LAUFTECHNIK UND FAHRZEUGDYNAMIK 10 1.2.2 STRUKTURANALYSE DES
DREHGESTELLRAHMENS 12 1.2.3 BETRIEBSFESTIGKEITSRECHNUNG 13 1.2.4
LEBENSDAUERABSCHAETZUNG VON SCHIENENFAHRZEUGEN 14 1.2.5 BEWERTUNG
BISHERIGER ARBEITEN 16 1.3 AUFBAU UND ZIELE DER ARBEIT 17 2.
MATHEMATISCH - PHYSIKALISCHE GRUNDLAGEN - MODELLBILDUNG 20 2.1 AUSWAHL
DES BERECHNUNGSVERFAHRENS 20 2.2 KINEMATISCHE GRUNDLAGEN 21 2.3
KONSTRUKTIVE MERKMALE EINES LAUFDREHGESTELLS 24 2.4 RADSATZ UND GLEIS 26
2.4.1 BERUEHRGEOMETRIE 27 2.4.2 KONTAKTKRAEFTE 30 2.5 LASTFAELLE UND
ANREGUNGEN (BELASTUNGEN) 37 2.5.1 STOCHASTISCHE PROZESSE 38 2.5.2
MATHEMATISCHE BESCHREIBUNG DER GLEISLAGEFEHLER 46 2.5.3 DETERMINISTISCHE
BEANSPRUCHUNGEN (BOGENFAHRT) 51 2.5.3.1 BOGENFAHRT MIT KONSTANTEM RADIUS
(QUASISTATISCH) 52 2.5.3.2 BOGENEINFAHRT 57 II INHALTSVERZEICHNIS 3.
AUFSTELLEN UND LOESEN DER BEWEGUNGSGLEICHUNGEN 60 3.1 DYNAMISCHE
SYSTEMGLEICHUNGEN UND FAHRZEUGMODELL 60 3.1.1 DEFINITIONEN UND
MODELLANNAHMEN 60 3.1.2 DYNAMISCHE SYSTEMGLEICHUNGEN DES MKS 62 3.1.3
ZUSTANDSGIEICHUNGEN DES MKS 65 3.1.4 ERWEITERTE ZUSTANDSGIEICHUNGEN DES
MKS 68 3.1.5 FAHRZEUGMODELL 69 3.2 ANALYSE STOCHASTISCHER
SCHWINGUNGSSYSTEME 71 3.2.1 SPEKTRALANALYSE 71 3.2.2 KOVARIANZANALYSE 72
3.2.3 STATISTISCHE LINEARISIERUNG 77 3 3 MONTE-CARLO-METHODE ZUR
BEHANDLUNG VON NICHTLINEAREN SCHWINGUNGSSYSTEMEN 78 3.3.1
MONTE-CARLO-METHODE 78 3.3.2 SYNTHETISIERUNG DER MUSTERFUNKTIONEN DER
STOERPROFILE 81 3.3.3 LOESUNG DER BEWEGUNGSGLEICHUNGEN 85 3.3.4
STATISTISCHE AUSWERTUNG DER INTEGRATIONSERGEBNISSE 85 3.4 AUSGABE
BEWERTETER GROESSEN 86 3.5 ZUSAMMENFASSUNG UND VERGLEICH DER
BERECHNUNGSVERFAHREN 87 4. BERECHNUNG DER BEANSPRUCHUNGS-ZEIT-FUNKTIONEN
91 4.1 AUSWAHL DES BERECHNUNGSVERFAHRENS 91 4.2 FE-METHODE FUER
LINEAR-ELASTISCHE PROBLEME 93 4.3 KOPPLUNG DER MKS-BERECHNUNG MIT DER
FE-METHODE 96 5. LEBENSDAUERABSCHAETZUNG DURCH
BETRIEBSFESTIGKEITSRECHNUNG 101 5.1 KENNFUNKTIONEN DER BEANSPRUCHUNG 102
5.1.1 DARSTELLUNG VON BEANSPRUCHUNGSKOLLEKTIVEN 102 5.1.2 ZAEHLVERFAHREN
103 5.1.2.1 EINPARAMETRIGE ZAEHLVERFAHREN 104 5.1.2.2 DIE MARKOV-MATRIX
107 5.1.2.3 DIE RAINFLOW-MATRIX 110 5.1.2.4 VERGLEICH VON RAINFLOW- UND
MARKOV-MATRIX 117 5.1.2.5 ZAEHLVERFAHREN IM FREQUENZBEREICH 119
INHALTSVERZEICHNIS *_ 5.1.3 EXTRAPOLATION 120 5.1.3.1 EXTRAPOLATION DES
EXTREMWERTS 120 5.1.3.2 HAEUFIGKEITSVERTEILUNGEN DER EXTRAPOLIERTEN
KOLLEKTIVE 123 5.1.4 BERECHNUNG DER AMPLITUDENKOLLEKTIVE DER
RAINFLOW-MATRIX FUER DIE GESAMTSTRECKE 125 5.1.4.1 DARSTELLUNG DES
BERECHNUNGSVERFAHRENS UNTER BERUECKSICHTIGUNG DER EINSATZSTRECKE 127
5.1.4.2 VERIFIKATION DER VORGEHENSWEISE 132 5.2 KENNFUNKTIONEN DER
BEANSPRUCHBARKEIT 133 5.2.1 WOEHLER-LINIE 133 5.2.2 NORMIERTE
WOEHLER-LINIEN FUER SCHWEISSVERBINDUNGEN 135 5.2.3 LEBENSDAUERLINIE 138 5.3
LEBENSDAUERABSCHAETZUNG DURCH SCHADENSAKKUMULATION 140 5.3.1
SCHADENSAKKUMULATION 140 5.3.1.1 LINEARE SCHADENSAKKUMULATIONSHYPOTHESE
(MINER-REGEL) 140 5.3.1.2 MODIFIKATIONEN DER MINER-REGEL 142 5.3.1.3
BEWERTUNG DER LINEAREN SCHADENSAKKUMULATIONSHYPOTHESEN UND RELATIVE FORM
DER MINER-REGEL 144 5.3.1.4 SCHAEDIGUNGSAEQUIVALENTES EINSTUFENKOLLEKTIV
145 5.3.2 KONZEPT DER LEBENSDAUERVORHERSAGE 146 5.3.3 BERUECKSICHTIGUNG
DER MITTELSPANNUNGSEMPFINDLICHKEIT 150 6. ANWENDUNG UND VERGLEICH
RECHNUNG - MESSUNG 155 6.1 LASTKOLLEKTIVE AUS MONTE-CARLO-SIMULATIONEN
155 6.1.1 VORAUSSETZUNGEN UND AUFGABENSTELLUNG 155 6.1.2
MUSTERFUNKTIONEN DER STOERPROFILE 158 6.1.3 MKS-SIMULATION 160 6.1.4
BERECHNUNG DES GESAMTKOLLEKTIVS 162 6.1.4.1 EXTRAPOLATION DER KOLLEKTIVE
DER BETRIEBSZUSTAENDE 162 6.1.4.2 MAXIMALLASTWECHSEL 166 6.1.4.3
EXTRAPOLATION DER MAXIMALLASTWECHSEL 167 6.1.4.4 GESAMTKOLLEKTIV 169 6.2
LASTKOLLEKTIVE AUS MESSUNGEN 170 6.2.1 VERSUCHSBESCHREIBUNG DES
FAHRVERSUCHS 170 6.2.2 AUSGEWAEHLTE VERSUCHSERGEBNISSE 172 6.3 VERGLEICH
DER LASTKOLLEKTIVE AUS RECHNUNG UND MESSUNG 174 IV INHALTSVERZEICHNIS
6.4 LEBENSDAUERABSCHAETZUNG 176 6.4.1 BERECHNUNG EINES
SPANNUNGSKOLLEKTIVS 176 6.4.2 SCHADENSAKKUMULATION 177 7.
ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK 179 LITERATURVERZEICHNIS 184 ANHANG A
VERWENDETE FACHBEGRIFFE AUS DEM SCHIENENFAHRZEUGBAU 199
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