Methode zur Verifizierung und Validierung von Finite-Elemente-Berechnungen des Rad-Schiene-Normalkontakts:
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| Veröffentlicht: |
Kaiserslautern
Technische Universität Kaiserslautern
2016
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Inhaltsverzeichnis
Vorwort
Abbildungsverzeichnis v
Tabellenverzeichnis viii
Abkürzungen und Formelzeichen x
Kurzzusammenfassung xvii
Abstract xvii
Summary xviii
1 Einleitung 1
2 Stand von Wissenschaft und Technik 3
2 1 Grundlagen der Kontaktmechanik 3
211 Kontaktmechanik im Rahmen der Halbraumnäherung 3
212 Allgemeine Kontaktmechanik 4
213 Kontakt rauer Körper 5
2 2 Hertzscher Kontakt 6
221 Annahmen 8
222 Mathematische Beschreibung 8
2 3 Rollkontakt 14
231 Grundlagen 14
232 Einspielen 15
233 Rollkontaktermüdung 17
2 4 Finite-Elemente-Methode 19
241 Grundlagen 19
242 Grundlagen der FE-Kontaktberechnung 27
243 FE-Berechnungen des Hertzschen Kontakts 36
244 Verifizierung und Validierung von FE-Rechnungen 37
2 5 Rad-Schiene-Kontakt 41
251 Grundlagen 41
252 Numerische Berechnungen 42
253 Experimentelle Untersuchungen 44
3 Motivation 48
4 Verifizierung der Berechnung Hertzscher Kontakte mittels FEM 51
4 1 Grundmodell der Verifizierung 51
4 2 Auswertung der FE-Analysen 51
421 Kontaktdruck 52
422 Kontaktflächengröße und -radius 52
423 Abstand zwischen den Kontaktkörpern 53
iv
Inhaltsverzeichnis
4 3 Quasistatischer Kontakt 54
431 FE-Modell stehende Kugel auf Platte 54
432 Auswertepfade 54
433 Konvergenzuntersuchung 56
434 Vergleichsuntersuchung der Umsetzung der Kontaktbedingungen 58
435 Vergleichsuntersuchung der Kontaktdiskretisierung 59
436 Zusammenfassung 60
4 4 Transienter Rollkontakt 60
441 FE-Modell rollende Kugel auf Platte 61
442 Transiente Vergleichsuntersuchung 62
5 Modellbildung und Abschätzung des Modellierungsfehlers 64
5 1 Physikalisches Grundmodell des Rad-Schiene-Kontakts 64
5 2 Geometrische Vereinfachungen 65
521 Referenzmodell 65
522 Radsatz- und Radausschnittsmodelle 69
523 Schienenmodelle 71
524 Vereinfachung von Rad und Schiene 73
525 Bewertung 74
5 3 Mechanische Vereinfachungen 75
531 Vereinfachung der Betrachtungsweise 75
532 Einfluss der Kontaktflächenrauheit 76
533 Rollwiderstand 81
5 4 Konstitutive Vereinfachungen 86
541 Linear-elastisches Materialmodell 86
542 Elasto-plastische Materialmodelle 86
543 Viskoelastische Materialmodelle 88
544 Bewertung 88
6 Abschätzung der Unsicherheiten 90
6 1 Aufbau der Sensitivitätsuntersuchung 91
611 Faktoren 91
612 Ausgabeparameter 93
613 Berechnungsmodell 94
614 Verwendete CAE-Software 95
615 Versuchsplan 96
616 Modellparametrisierung 97
617 Fehlerbetrachtung 100
6 2 Ergebnisse 102
621 Allgemeine Betrachtungen der Ausgabeparameter 102
622 Abhängigkeiten der Ausgabeparameter untereinander 102
623 Einfluss der Faktoren auf die Ausgabeparameter 106
6 3 Bewertung 111
7 Bestimmung der Messabweichung von Druckmessfolien 113
7 1 Untersuchung der Eignung der Folientypen 113
711 Experimentelle Voruntersuchungen 113
712 FE-Simulation der Druckmessfolie im Hertzschen Kontakt 115
7 2 Untersuchung der systematischen Messabweichung der HHS-Folie 118
7 3 Bewertung 122
Inhaltsverzeichnis
v
8 Validierung 123
8 1 Konzeptionelles Modell / Rad-Schiene-Prüfstand 123
8 2 Ausgabe- und Auswerteparameter 123
8 3 Experimente 125
831 Versuchsplan 125
832 Experimentelle Ergebnisse 126
8 4 Probabilistische FE-Simulationen 127
841 Mathematisches Modell 127
842 FE-Modell 129
843 Verwendete CAE-Software 130
844 Modellparametrisierung 130
845 Fehlerbetrachtung 131
846 Simulationsergebnisse 132
8 5 Vergleich der experimentellen und simulativen Ergebnisse 132
8 6 Bewertung 134
9 Zusammenfassung und Ausblick 135
A Effekt-und Wechselwirkungstabellen 137
Literatur 141
Eigene Veröffentlichungen und Tagungsbeiträge 149
Betreute Studien- und Diplomarbeiten 150
Lebenslauf
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