Entwicklung von Bauweisen für einen leichtbauoptimierten Aluminiumwagenkasten eines Hochgeschwindigkeitszuges

Abstract

Wagenkästen von Hochgeschwindigkeitszügen werden aktuell meist in Aluminium-Integralbauweise unter Verwendung von vorgefertigten Großstrangpressprofilen hergestellt. Die Anwendung von Strangpressprofilen bietet den Vorteil von rationaler und automatisierter Fertigung. Aufgrund des Herstellprozesses der Strangpressprofile, welche keine variablen Materialstärken erlaubt, muss das Profil auf Basis der größten Belastung ausgelegt werden. In der vorliegenden Masterarbeit wird unter Verwendung des Werkstoffs Aluminium eine Bauweise entwickelt, die auf der Kraftflussanalyse basiert. Für die Kraftflussanalyse wird zunächst das zur Verfügung stehende Modell eines Wagenkastens in der FEM-Software Hyperworks auf Basis der Lastannahme aus der europäischen Norm DIN EN 12663-1 und der japanischen Norm JIS E 7016 modelliert und eine Topologieoptimierung durchgeführt. Die Ergebnisse der beiden Topologieoptimierungen werden miteinander verglichen und eine wird, auf Basis der ausgebildeten Gerippenstruktur, für die weiteren Arbeit ausgewählt. Die ausgebildete und bionisch wirkende Struktur aus der Topologieoptimierung dient als die Grundlagen der Konzeptkonstruktion. Basierend auf der kraftflussoptimierten Struktur werden in dieser Arbeit verschiedene Konzepte erarbeitet. Mehrere Experten sollen anschließend, unter Berücksichtigung verschiedener Bewertungskriterien und mit Hilfe einer Nutzwertanalyse nach VDI- 2225, die Konzepte bewerten und ein Siegerkonzept ermitteln. Das ausgewählte Konzept wird für die Grobkonstruktion eines Wagenkastens verwendet. Für die Konstruktion werden Strangpressprofile verwendet. Diese ermöglichen unter Beibehaltung der vorhandenen Vorteile wie rationale und automatisierten Fertigung, eine signifikante Massenreduktion der Wagenkastenstruktur. Im Anschluss erfolgt die Vordimensionierung des Wagenkastens. Dabei wird Mithilfe der FEM-Berechnung der konstruierte Wagenkasten modelliert. Die Auslegung der Struktur erfolgt iterativ. Nach Auswahl eines Vorzugkonzepts wurde die Wagenkastenstruktur aus Strangpressprofilen in CAD konstruiert. Die Abdeckung der Wagenkastenstruktur erhöht sich der Fertigungsaufwand. Bei der FEM Analyse des konstruierten Wagenkastens kann festgestellt werden, dass die auftretenden Spannungen im Bodenbereich unterhalb der zulässigen Spannung liegen. Einzige Ausnahme liefern die Krafteinleitungsbereiche in denen die Wandstärke unter 6 mm beträgt. Im restlichen Wagenkasten treten kritische Spannungen nur auf, wenn die Wandstärke einen Wert von 2, 5 mm unterschreitet. Aufgrund der Längskräfte treten höhere Verformungen auf, wodurch sich die Längssteifigkeit verringert. Aufgrund der geringen Längssteifigkeit und des höheren Ferigungsaufwands kann dieser Wagenkasten nicht verwirklicht werden