Berechnung und Analyse konzeptioneller Bauweisen einer Wagenkastenseitenwand eines Schienenfahrzeuges

Abstract

Die Wagenkästen von Schienenfahrzeugen werden am häufigsten in Aluminium-Integralbauweise oder Stahl-Differentialbauweise konstruiert, da sie Vorteile bei der Gewichtsreduzierung bieten. In dieser Arbeit wird die technische Machbarkeit einer Aluminium-Differenzialbauweise untersucht, die die Vorteile der Differenzialbauweise mit der geringen Dichte von Aluminium kombiniert, um die Massenreduktion eines Wagenkastens weiter zu erhöhen. Dies geschieht durch den Entwurf, die Konstruktion und die Vordimensionierung einer Wagenkastenseitenwand in Aluminium-Differentialbauweise. Um die Lastanpassungsfähigkeit einer Differentialbauweise zu nutzen, wird eine Topologie-Optimierung an einem generischen Wagenkasten nach den in der Norm DIN EN 12663-1 definierten Lastfällen durchgeführt, um die Lastpfade innerhalb des Wagenkastens zu visualisieren. Die Ergebnisse der Topologie-Optimierung werden dann als Grundlage verwendet, auf der mehrere Seitenwandkonzepte in Aluminium-Differentialbauweise entwickelt und bewertet werden. Das in dieser Arbeit gewählte Konzept verwendet eine verstärkte Blechkonstruktion, bei der U-Profile aus Aluminium entsprechend den Lastpfaden auf ein Aluminiumblech geschweißt werden, um eine kraftflussoptimierte Seitenwand mit minimalem Materialeinsatz zu konstruieren. Das Konzept wird dann in CAD konstruiert und durch eine Free-Size-Optimierung vordimensioniert sowie nach den Festigkeits- und Steifigkeitsanforderungen der DIN EN 12663-1 validiert. So wird verhindert, dass die einzelnen U-Profile überdimensioniert werden, aber dennoch stark genug sind, um den Belastungen eines Wagenkastens standzuhalten. Die Gesamtmasse der dimensionierten Seitenwand in dieser Arbeit beträgt 1095 kg, was im Vergleich zu Seitenwänden in anderen Bauweisen geringer ist. Damit bestätigt sich, dass die Aluminium-Differentialbauweise in der Lage ist, das Leichtbaupotenzial eines Wagenkastens weiter auszuschöpfen. Weitere Maßnahmen zur Verbesserung der Massenreduzierung des Seitenwandkonzepts werden ebenfalls diskutiert.