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höhten Dämpfung der Starrkörpereigenformen
eines gesamten Schienenfahrzeugs ist eine
klassische Modalanalyse mittels elektrodynamischen
Schwingerregers zur Identifikation
der Starrkörperschwingformen nicht möglich.
Zudem liegen die Eigenfrequenzen der Starrkörpermoden
in einem Bereich, in dem auch
typischerweise die Eigenfrequenzen der elektrodynamischen
Schwingerreger liegen.
Daher wurden Keilversuche durchgeführt. Bei
einem Keilversuch wird ein gesamtes Schienenfahrzeug
über Keile geschoben, die vor den
Rädern auf den Schienen platziert sind (Abbildung
2). Durch das Fallen des Fahrzeugs vom
Keil und Auftreffen auf dem Gleis wird ein Eingangssprung
erzeugt und damit das Fahrzeug
mit einem breiten Anregungsspektrum angeregt.
Aus der Antwort des Fahrzeugs auf diesen
Eingangssprung können im nächsten Schritt
die Eigenfrequenzen ermittelt werden. Je nach
Anordnung der Keile unter dem Fahrzeug kann
die Anregung spezifischer Eigenformen wie z.
B. Nick-, Tauch- oder Wankbewegungen des
Wagenkastens oder des Fahrwerks angeregt
werden.
Äquivalent zum Realversuch wurde der Keilversuch
auch in der Simulation durchgeführt. In
der Auswertung der Keilversuche wurden neben
den Eigenfrequenzen und der Dämpfungen
auch die Eigenvektoren identifiziert. Durch die
Verfügbarkeit der Eigenvektoren wird es möglich,
die komfortrelevanten Eigenbewegungen
vollständig zu beschreiben und zu valideren.
Abbildung 2: Platzierung eines Keiles vor den Rädern
Quelle: VIRTUAL VEHICLE
Modellierung des elastischen
Wagenkastens
Die Validierung des FE-Modells wird mit den
Ergebnissen aus der experimentellen Modalanalyse
durchgeführt. Dabei werden Eigenfrequenzen
und Eigenvektoren der Berechnung
und der Messung korreliert. Einen entscheidenden
Einfluss auf die Ergebnisse haben z.B.
die Wahl der Finiten-Element-Typen sowie die
Diskretisierung des Modells (Abbildung 3). Damit
kann ein Optimum zwischen Ergebnisqualität
und Berechnungszeit gefunden werden.
Streckenversuche und Validierung
der Komfortbeurteilung
Nach der Validierung der Komponenten und
Sub-Systeme muss die abschließende Validierung
der Gesamtsystemsimulation unter möglichst
betriebsnahen Bedingungen erfolgen.
Dafür wurden am Eisenbahnversuchsring in
Velim in Tschechien Messfahrten durchgeführt.
Auf dem ca. 13 km langen Testring sind Fahrgeschwindigkeiten
bis zu 230 km/h möglich.
Essentiell für die Validierung des dynamischen
Gesamtsystems Schienenfahrzeug ist die
Aufnahme der Randbedingungen des realen
Streckenversuchs; dazu gehören Trassierung,
Gleislagefehler, Rad-Schiene-Profile sowie
Oberbau-Charakteristiken. Auf die Randbedingungen
des Streckenversuchs wurde bei den
Streckenversuchen ein besonderer Schwerpunkt
gelegt, um die Vergleichbarkeit der Messergebnisse
mit den Fahrkomfortsimulationen
gewährleisten zu können.
Die strukturdynamischen Eigenschaften des
Wagenkastens müssen in der Fahrkomfortsimulation
durch die Mehrkörpersystem (MKS)
Simulation berücksichtigt werden. Dafür muss
das komplexe FE-Modell des Wagenkastens
geeignet reduziert und in die MKS-Welt eingebunden
werden. Für die Modellreduktion wurden
klassische Verfahren wie die Guyan und
die Craig Bampton Methode verwendet, um
den Zielkonflikt zwischen der Ergebnisqualität
der Simulation und der Rechenzeit bestmöglich
zu lösen.
Abbildung 3: Eigenform Dachquerschwingung des elastischen
Rohbau-Wagenkastens
Quelle: VIRTUAL VEHICLE
Die Weiterentwicklung von Validierungsmethoden,
wie z.B. des Keilversuchs in Kombination
mit neuen Auswerteverfahren erlauben eine
treffsichere Identifikation von Schwachstellen
in den Simulationsmodellen sowie die Beurteilung
des quantitativen Einflusses dieser
Schwachstellen auf die Zielgröße der Validierung,
sprich den Komfortwert. Durch die anschließende
zielgerichtete Weiterentwicklung
der Simulationsmodelle wie z.B. des elastischen
Wagenkastens oder Komponenten am
Fahrwerk kann der Komfortwert mit einer Genauigkeit
von rund 10 % durch die Simulation
prognostiziert werden.
Durch die konsequente Validierung der Simulationsmodelle
von der Komponenten- bis zur
Gesamtfahrzeugebene, der gezielten Schwachstellenanalyse
und der anschließenden zielgerichteten
Verbesserung der Modellierung kann
damit vor allem das Entwicklungsrisiko für zukünftige
Projekte deutlich reduziert werden. ■
Zum Autor
Dr. Martin Rosenberger
ist stellvertretender Bereichsleiter
des Bereichs
„Mechanics & Materials“
am VIRTUAL VEHICLE
Projektpartner
• Institut für Mechanik;
Montanuniversität Leoben
• Siemens AG
magazine Nr. 14, II-2013
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