<p>U doktorskoj disertaciji razmatra se merenje sile i pomeraja pomoću<br />senzora koji mogu da se integrišu u već postojeće elemente na<br />robotskim i industrijskim sistemima. Sila se meri merenjem<br />deformacije elastičnog elementa. Za merenje pomeraja postignuto je<br />na dva načina: optičkom komponentom i induktivnom strukturom<br />izrađenom štampanjem na fleksibilnoj foliji i njenim odgovarajućim<br />sečenjem. Merenje sile demonstrirano je na primeru klatna sa bazom<br />kod kojeg se meri sila kontakta sa podlogom, a merenje pomeraja je<br />pokazano na primeru merenja vibracija. Sistem za merenje vibracija<br />dopunjen je i sistemom za automatsko podešavanje radne tačke koji se<br />može iskoristiti za automatsku kalibraciju.</p> / <p>In this thesis, measurement of force and displacement has been analyzed<br />using sensors which can be embedded into existing elements of robotic and<br />industrial systems. Force is measured by measuring the deformation of<br />elastic elements. Two mehtods have been applied to displacement<br />measurement: an optical component and an inductive structure fabricated by<br />printing on flexible substrate and its subsequent cutting. Measurement of<br />force has been demonstrated on a pendulum attached to its base, where the<br />contact between the base and its support is measured. Displacement<br />measurement has been shown by measuring vibration. The vibration<br />measurement system is supplemented with an automatic operating point<br />adjustment system which also adds an automatic calibration feature.</p>

Vibracijos žalingam poveikiui į žmogaus organizmą lemia daug įvairių veiksnių. Tyrimai šioje srityje koncentruojasi į mašinos virpesių energijos dydį ir jos mažinimo galimybes, tačiau aktualu ir žmogaus-mašinos analizavimas kaip bendros sistemos. Tokios sistemos virpesių energijos perdavimas į žmogaus kūną priklauso ir nuo sistemos standumo savybių, kurias galima apibūdinti kontaktinėmis jėgomis tarp mašinos ir žmogaus kūno dalies. Tokių tyrimų Lietuvoje nebuvo atlikta, o užsienio autorių tyrimai negausūs, todėl tyrimas yra labai aktualus. Tiriamajame darbe analizuojama kitų autorių tyrimų medžiaga apie vibracijos poveikį žmogui, sudaryta tyrimų metodika ir atlikti tyrimai, kaip nešiojamųjų ar rankomis valdomų mašinų įrankių jėgos pasiskirsto rankos plaštakoje ir kokią įtaką per rankas veikiančios vibracijos perdavimui turi rankos ir darbo priemonės sąlyčio jėgos. Nustatyta, kad didėjant sąlyčio jėgoms tarp vibruojančios darbo priemonės (įrankio) ir rankos nuo 3 N iki 29 N bendroji vibracijos vertė veikianti operatoriaus ranką didėjo nuo 2,7 m/s2 iki 3,7 m/s2. / Hazardous affects of vibration against a human’s organism are caused by various factors. Researches in this field are concentrated into the energy size of machine vibration and possibilities to decrease it; however, analysis of a human-machine as a general system is also relevant. Transfer of vibration energy by such system into a human’s body depends on properties of system rigidity, which may be described as contact forces between a machine and a human’s body part. Such researches were not carried out in Lithuania and the studies of foreign authors are not numerous, thus such analysis is very relevant. The study thesis analyses research materials by other authors on vibration impact on humans. There were developed research methods and performed tests on how strengths of mobile and manually operated tools distribute over the hand and what impact hand - tool contact strengths have on transfer of vibration acting through hands. It was determined that increase in contact strength between a vibrating tool and a hand from 3 N to 29 N total vibration value on the operator’s hand increase from 2,7 m/s2 to 3,7 m/s2.

Durant les cinquante dernières années le développement technologique du train et des infrastructures ferroviaires ainsi que la rapide augmentation des vitesses en ligne ont provoqué une forte augmentation du besoin d'outils numériques pour la conception des infrastructures et des véhicules. Les principaux objectifs de mes travaux de recherche sont de deux ordres : d'une part contribuer à faire progresser les méthodes numériques en développant un outil rapide et simple, capable de simuler les principaux comportements physiques et d'autre par étudier, comprendre et décrire deux phénomènes particuliers: la vitesse critique et le tassement du ballast. La thèse est composée de deux parties. Dans la première partie on montre le modèle numérique adopté pour simuler le système véhicule/infrastructure. Les innovations fondamentales introduites dans cette partie de la thèse résident dans le modèle de liaison entre les attaches et le rail, et dans le nouvel algorithme proposé pour résoudre la non linéarité du problème. En effet, afin de rendre plus rapide la résolution, la méthode du point fixe a été couplée avec la méthode de Newton Raphson. La deuxième partie de la thèse est consacrée à la présentation des résultats numériques obtenus. Enfin, les résultats des simulations ont été utilisés pour la compréhension et la description de l'origine de la vitesse critique et des effets du train sur le tassement du ballast. La vitesse critique peut être définie comme une certaine valeur de vitesse qui provoque un fort incrément des vibrations et des déplacements verticaux et latéraux de l'infrastructure. Ce phénomène a été étudié par plusieurs équipes et a été attribué à un effet de résonance comparable au phénomène aérodynamique du mur du son: «Mach effect». Le train produit des vagues de déformation sur l'infrastructure; la vitesse de ces vagues, nommée «vitesse de Rayleigh», dépend principalement des caractéristiques du ballast et du sol. En effet même si l'effet «Mach» est physiquement plausible pour ces conditions, les trains n'atteignent pas, pour le moment, ces vitesses. Néanmoins des résultats expérimentaux ont permis l'observation du phénomène de la vitesse critique pour des trains roulant à la vitesse de 135 km/h (nombre Mach proche à 0.4). Donc, pour le moment, il n'y a ni estimation exacte ni explication physique de la vitesse critique dans l'intervalle inférieur à la vitesse de Rayleigh. Dans cette thèse une nouvelle explication a été proposée. La masse du train et les suspensions ont une influence non négligeable qui modifie la réponse du système véhicule/infrastructure en termes de modes de vibration. Pour cette raison, il est nécessaire de lier les fréquences d'excitation, et donc la vitesse du train, avec les modes de vibration du système couplé. Des comparaisons entre les analyses modales du système couplé et la déflexion de la traverse en fonction de la vitesse du train ont été menées. Lorsque la vitesse du train, qui excite le système suite aux passage des traverses, rejoint la valeur critique, un phénomène de résonance s'observe. La deuxième étude développée concerne les coûts des entretiens liés au tassement du ballast. Le but est de trouver une fonction de coûts liés aux caractéristiques et aux variables du véhicule, et de proposer une nouvelle méthode pour calculer la partie du péage ferroviaire lié au tassement du ballast (50 % environ du coût total). En calculant la déflection du ballast grâce au modèle présenté dans cette thèse, il est possible d'évaluer l'effet de chaque véhicule sur le tassement. Une fois calculé le coût total d'un certain type de ligne, lié à une certain seuil d'intervention (somme des intervention des bourrages plus la substitution total du ballast), il est possible d'évaluer le coût de chaque passage de train et de le lier à toutes le variables du modèle. / A numerical model to predict train induced vibrations is presented. The dynamic computation considers mutual interactions in vehicle/track coupled system by means of a finite and discrete elements method. The vehicle is modeled by 7 bi-dimensional rigid elements representing: the body, the two boogies and the four wheels. The railway is discretized as finite Timoshenko beam elements. Axial deformation is assumed insignificant. The substructure is made-up of: rail-pads, sleepers, ballast, and background. Rail-pads are modeled as spring/damper couples without mass and sleepers are modeled as rigid elements. The rail-sleeper contact is assumed extended to a connection-area, rather than a single point assumption. To model this area many spring/damper couples are disposed along the length of sleepers. The ballast is modeled as blocks of mass made-up of rigid elements, connected to sleeper by spring/damper couples. To allow the transmission of vibrations in longitudinal direction too, spring/damper couples connect ballast elements horizontally.The dynamic interaction between the wheel-sets and the rail is accomplished by using the non-linear Hertzian model with hysteresis damping. The rail defects and the case of out-of-round wheels are considered too.A modal analysis of supporting structure is done to validate the substructure model comparing it to experimental data.Comparisons between numerical results of our model, experimental data and numerical results of others literature models are done on contact-force, rail accelerations and sleepers accelerations to validate the coupled vehicle/track system.Moreover a modal analysis of the coupled vehicle/track system is done to analyze the relationship between resonance frequencies, train velocities and ballast displacements.A sensitivity analysis is done to evaluate the variables more affecting the maintenance costs. The parameters more conditioning the ballast maintenance costs are the ballast modulus and the train mass.The effects of train velocity on the ballast displacements are analyzed in relationship with substructure properties. A new formulation to evaluate the railway toll connected to ballast wear is introduced.A new interpretation of the critical velocity in the range 100-300 km/h is proposed.

Le développement des systèmes intelligents pour contrôler la stabilité du véhicule et éviter les accidents routier est au cœur de la recherche automobile. L'expansion de ces systèmes intelligents à l'application réelle exige une estimation précise de la dynamique du véhicule dans des environnements diverses (dévers et pente). Cette exigence implique principalement trois problèmes : ⅰ), extraire des informations non mesurées à partir des capteurs faible coût; ⅱ), rester robuste et précis face aux les perturbations incertaines causées par les erreurs de mesure ou de la méconnaissance de l'environnement; ⅲ), estimer l'état du véhicule et prévoir le risque d'accident en temps réel. L’originalité de cette thèse par rapport à l’existant, consiste dans le développement des nouveaux algorithmes, basés sur des nouveaux modèles du véhicule et des différentes techniques d'observation d'état, pour estimer des variables ou des paramètres incertains de la dynamique du véhicule en temps réel. La première étape de notre étude est le développement de nouveaux modèles pour mieux décrire le comportement du véhicule dans des différentes situations. Pour minimiser les erreurs de modèle, un système d'estimation composé de quatre observateurs est proposé pour estimer les forces verticales, longitudinales et latérales par pneu, ainsi que l'angle de dérive. Trois techniques d'observation non linéaires (EKF, UKF et PF) sont appliquées pour tenir compte des non-linéarités du modèle. Pour valider la performance de nos observateurs, nous avons implémenté en C++ des modules temps-réel qui, embarqué sur le véhicule, estiment la dynamique du véhicule pendant le mouvement. / Enhancing road safety by developing active safety system is the general purpose of this thesis. A challenging task in the development of active safety system is to get accurate information about immeasurable vehicle dynamics states. More specifically, we need to estimate the vertical load, the lateral frictional force and longitudinal frictional force at each wheel, and also the sideslip angle at center of gravity. These states are the key parameters that could optimize the control of vehicle's stability. The estimation of vertical load at each tire enables the evaluation of the risk of rollover. Estimation of tire lateral forces could help the control system reduce the lateral slip and prevent the situation like spinning and drift out. Tire longitudinal forces can also greatly influence the performance of vehicle. The sideslip angle is one of the most important parameter to control the lateral dynamics of vehicle. However, in the current market, very few safety systems are based on tire forces, due to the lack of cost-effective method to get these information. For all the above reasons, we would like to develop a perception system to monitor these vehicle dynamics states by using only low-cost sensor. In order to achieve this objective, we propose to develop novel observers to estimate unmeasured states. However, construction of an observer which could provide satisfactory performance at all condition is never simple. It requires : 1, accurate and efficient models; 2, a robust estimation algorithm; 3, considering the parameter variation and sensor errors. As motivated by these requirements, this dissertation is organized to present our contribution in three aspects : vehicle dynamics modelization, observer design and adaptive estimation. In the aspect of modeling, we propose several new models to describe vehicle dynamics. The existent models are obtained by simplifying the vehicle motion as a planar motion. In the proposed models, we described the vehicle motion as a 3D motion and considered the effects of road inclination. Then for the vertical dynamics, we propose to incorporate the suspension deflection to calculate the transfer of vertical load. For the lateral dynamics, we propose the model of transfer of lateral forces to describe the interaction between left wheel and right wheel. With this new model, the lateral force at each tire can be calculated without sideslip angle. Similarly, for longitudinal dynamics, we also propose the model of transfer of longitudinal forces to calculate the longitudinal force at each tire. In the aspect of observer design, we propose a novel observation system, which is consisted of four individual observers connected in a cascaded way. The four observers are developed for the estimation of vertical tire force, lateral tire force and longitudinal tire force and sideslip angle respectively. For the linear system, the Kalman filter is employed. While for the nonlinear system, the EKF, UKF and PF are applied to minimize the estimation errors. In the aspect of adaptive estimation, we propose the algorithms to improve sensor measurement and estimate vehicle parameters in order to stay robust in presence of parameter variation and sensor errors. Furthermore, we also propose to incorporate the digital map to enhance the estimation accuracy. The utilization of digital map could also enable the prediction of vehicle dynamics states and prevent the road accidents. Finally, we implement our algorithm in the experimental vehicle to realize real-time estimation. Experimental data has validated the proposed algorithm.

Problemstellung Im Rahmen des Zulassungsverfahrens für elektrische Schienenfahrzeuge werden oft Messungen bezüglich der Interaktion von Stromabnehmer und Oberleitung benötigt. Zu diesem Zweck werden meist Kontaktkraftmessungen durchgeführt. Dabei soll die dynamische Kraft zwischen Schleifleiste und Oberleitung bei Fahrzeughöchstgeschwindigkeit ermittelt werden. Beim Einsatz klassischer Messsysteme werden herkömmliche Kraftsensoren unter die Schleifleiste montiert. Daraus resultieren verschiedene Schwierigkeiten. Zum Einen muss der Sensor auf Hochspannungspotential mit elektrischer Energie versorgt und die Messdaten zum Erdpotential gesendet werden. Zum Anderen wirken hohe Massenträgheitskräfte oberhalb der Sensorik, welche die Messung höherfrequenter Schwingungen ausschließt. Diese Montage hat zudem den Nachteil, dass vagabundierende Kräfte und Momente ebenso über den Kraftsensor geleitet werden und so das Messergebnis beeinflussen können. Außerdem wirken aerodynamische Effekte, die die Messergebnisse zusätzlich verfälschen. Um geeignete Korrekturmaßnahmen anwenden zu können, müssen Versuche durchgeführt werden, bei denen es dauerhaft keinen Kontakt von Schleifleiste und Fahrdraht gibt. Wenn dieser Stromabnehmer der Einzige am Fahrzeug ist, stellt dies, neben den messtechnischen Herausforderungen, eine erhebliche betriebliche Einschränkung dar. Herangehensweise Nach einer Literatur- und Patentrecherche wurde die Problemstellung in zwei Unterthemen gegliedert. Zum Einen sollte von klassischen elektrischen Sensoren zu faseroptischer Messtechnik gewechselt werden. Dies hat den Vorteil, dass neben der Energie für den Sensor auch dessen Messsignale elegant über Potentialunterschiede hinweg übertragen werden können. Somit werden keinerlei elektrisch aktive Messinstrumente auf Hochspannungspotential benötigt. Als schöne Beigabe ist diese Sensorik auch gänzlich unempfindlich gegen elektromagnetische Störungen, die von der Oberleitung ausgehen. Zum Anderen sollte die gesamte Messtechnik nicht mehr unter, sondern in der Schleifleiste verbaut werden. Diese seit fast 40 Jahren bekannte Herangehensweise ist in einigen Publikationen schematisch dargestellt. Lediglich eine Veröffentlichung beschreibt die praktische Umsetzung. Allerdings sind in dieser Beschreibung andere Randbedingungen als für die hier vorgestellte Konstruktion dargelegt. So war diese Konstruktion als Messpalette für Fahrleitungsuntersuchungen und nicht als Einzelschleifleiste für Fahrzeugzulassungen ausgeführt. Die prinzipielle Funktion dieser Theorie wurde aber schon damals bewiesen. Um die Notwendigkeit der Verfahrensverbesserung mit Messwerten zu untermauern, wurden verschiedene Streckenversuche an verschiedenen Zügen durchgeführt. Mit dieser umfangreichen Statistik konnten Unzulänglichkeiten des klassischen Messverfahrens aufgezeigt werden. Die in dieser Arbeit entwickelte Konstruktion musste von Geometrie und Masse dem Original-Schleifstück entsprechen und sollte ebenso die komplette Traktionsenergie übertragen können, sowie die gleichen Kontaktbedingungen zur Oberleitung haben. Für den Einsatz sollten Fahrgeschwindigkeiten bis 400 km/h vorgesehen werden. Hinsichtlich der Festigkeit sollten mindestens die gleichen Werte wie für das Original-Schleifstück erreicht werden. Zudem sollte das Produkt einen Schlag, welcher durch einen herunterhängenden Ast oder Hänger ausgelöst werden kann, überstehen können. Aus messtechnischer Sichtweise sollte die Masse oberhalb der Sensorik so gering wie möglich gehalten werden um Masseträgheitseinflüße zu reduzieren. Außerdem sollten alle vagabundierenden Kräfte und Momente möglichst um den Sensor herum geleitet werden, um diesen nicht zu beeinflussen. Ein weiteres Ziel war, den Sensor geschützt einzuplanen, damit aerodynamische Kräfte ausgeschlossen werden. Lösung Aufgrund dieser Anforderungen wurde ein Sensorkörper entworfen auf dem Faser-Bragg-Gitter appliziert wurden. Nach einer mehrstufigen Entwicklung wurden Sensoren hergestellt, die seit über einem Jahr im Dauereinsatz sind und seither verlässlich Ergebnisse senden. Ein relevantes Ergebnis dieser Entwicklung war, dass derartige Sensorik einen minimalen Bauraum benötigt, der nicht unterschritten werden kann. Aufgrund dessen, musste auch die bis zu diesem Zeitpunkt auf einen sehr viel kleineren Sensortyp ausgerichtete Schleifleiste mit innenliegenden Sensoren entsprechend angepasst werden. In dieser Konstruktion wurde ein Sensor mit Pilzkopf vorgesehen, so dass nur die relevanten Kräfte über den Sensor geleitet und gemessen werden. Alle weiteren Kräfte und Momente werden über eine Lagerkonstruktion geleitet, die Kräfte in der Messrichtung nicht aufnimmt. Um die Masse oberhalb der Sensorik zu minimieren und das Gewicht der Lagerkonstruktion und des Sensors auszugleichen, wurde die Dicke der Schleifkohle erheblich reduziert. Eine gänzliche Substitution der Kohle war nicht möglich, da sonst veränderte Kontaktbedingungen zwischen Schleifleiste und Fahrdraht vorliegen würden. Im Original-Schleifstück wird ein Aluminium-Strangpressprofil verwendete, welches neben dem Stromfluß auch die Festigkeit gewährleistet. Dieses Profil konnte in erster Linie aus Bauraummangel nicht weiter verwendet werden. Deshalb wurde eine Leichtbaukonstruktion aus mehreren U-Profilen vorgesehen, die neben dem benötigten Bauraum auch noch eine Masseeinsparung, durch Nutzung von Faserverbundwerkstoffen, ermöglichte. In dieser Arbeit wurden sowohl die relevanten Festigkeitsberechnungen als auch eine Betrachtung der Erwärmung durch Stromfluss durchgeführt. Diese Handrechnungen wurden mittels Simulationsrechnung validiert. Im Anschluss wurden alle Fertigungsunterlagen erstellt. Die Fertigung wurde mit potentiellen Projektpartnern besprochen, wodurch Schwierigkeiten erkannt und deren Lösungen in den Entwurf eingepflegt wurden. In der wirtschaftlichen Betrachtung wurden Kosten und Nutzen bilanziert. In Summe wurde somit eine Schleifleiste mit modularer innenliegender faseroptischer Sensorik entwickelt. Um deren Vorteil in der Praxis nutzen zu können, wird empfohlen Diese zu fertigen.

The present research work mainly focuses on the fabrication of 0.85PMN-0.15PT thin film relaxor ferroelectrics for energy harvesting applications. Chapter 1 gives a brief review about why energy harvesting is required and the different ways it can be scavenged. An introduction to relaxor ferroelectrics and their characteristics structural features are discussed. A brief introduction is given about charge storage, electrocaloric effect , DC-EFM and integration over Si substrate is discussed. Finally, the specific objectives of the current research are outlined. Chapter 2 deals with the various experimental studies carried out in this research work. It gives the details of the experimental set up and the basic operation principles of various structural and physical characterizations of the materials prepared. A brief explanation of material fabrication, Microstructural and physical property measurements is discussed. Chapter3 involves the optimization process carried out to contain a phase pure PMN-PT structure without any pyrochlore phase. The optimization process is an important step in the fabrication of a thin film as the quality of any device is determined by their structural and Microstructural features. XRD, SEM, AFM were used to characterize the observed phase formation in these films. The optimizing domain images of polycrystalline 0.85PMN-0.15PT thin films on La0.5Sr0.5CoO3/ (111) Pt/TiO2/SiO2/Si substrates deposited at different oxygen partial pressures are presented. The oxygen pressure has a drastic influence on the film growth and grain morphology which are revealed through XRD and SEM characterization techniques. The presence of oxygen vacancies have found to influence the distribution of polar nanoregions and their dynamics which are visualized using domain images acquired by DC-EFM In Chapter 7 the piezoelectric response of 0.85PMN-0.15PT thin films are studied due to the electric field induced bias. From this the d33 value is calculated. d33 value is an important parameter which determines whether a material is suitable for device application (PZT). But, for a device fabrication it is important to integrate them with Si wafer which is not a straightforward work .Hence, buffer layers are used to obtain a pure perovskite PMN-PT film. We have deposited 0.85PMN-0.15PT thin films of 500 nm on a SOI wafer and tried to investigate their piezoelectric application. Chapter 8 summarizes the present study and discusses about the future work that could give more insight into the understanding of the0.85PMN-0.15 PT relaxor ferroelectric thin film.

Problemstellung Im Rahmen des Zulassungsverfahrens für elektrische Schienenfahrzeuge werden oft Messungen bezüglich der Interaktion von Stromabnehmer und Oberleitung benötigt. Zu diesem Zweck werden meist Kontaktkraftmessungen durchgeführt. Dabei soll die dynamische Kraft zwischen Schleifleiste und Oberleitung bei Fahrzeughöchstgeschwindigkeit ermittelt werden. Beim Einsatz klassischer Messsysteme werden herkömmliche Kraftsensoren unter die Schleifleiste montiert. Daraus resultieren verschiedene Schwierigkeiten. Zum Einen muss der Sensor auf Hochspannungspotential mit elektrischer Energie versorgt und die Messdaten zum Erdpotential gesendet werden. Zum Anderen wirken hohe Massenträgheitskräfte oberhalb der Sensorik, welche die Messung höherfrequenter Schwingungen ausschließt. Diese Montage hat zudem den Nachteil, dass vagabundierende Kräfte und Momente ebenso über den Kraftsensor geleitet werden und so das Messergebnis beeinflussen können. Außerdem wirken aerodynamische Effekte, die die Messergebnisse zusätzlich verfälschen. Um geeignete Korrekturmaßnahmen anwenden zu können, müssen Versuche durchgeführt werden, bei denen es dauerhaft keinen Kontakt von Schleifleiste und Fahrdraht gibt. Wenn dieser Stromabnehmer der Einzige am Fahrzeug ist, stellt dies, neben den messtechnischen Herausforderungen, eine erhebliche betriebliche Einschränkung dar. Herangehensweise Nach einer Literatur- und Patentrecherche wurde die Problemstellung in zwei Unterthemen gegliedert. Zum Einen sollte von klassischen elektrischen Sensoren zu faseroptischer Messtechnik gewechselt werden. Dies hat den Vorteil, dass neben der Energie für den Sensor auch dessen Messsignale elegant über Potentialunterschiede hinweg übertragen werden können. Somit werden keinerlei elektrisch aktive Messinstrumente auf Hochspannungspotential benötigt. Als schöne Beigabe ist diese Sensorik auch gänzlich unempfindlich gegen elektromagnetische Störungen, die von der Oberleitung ausgehen. Zum Anderen sollte die gesamte Messtechnik nicht mehr unter, sondern in der Schleifleiste verbaut werden. Diese seit fast 40 Jahren bekannte Herangehensweise ist in einigen Publikationen schematisch dargestellt. Lediglich eine Veröffentlichung beschreibt die praktische Umsetzung. Allerdings sind in dieser Beschreibung andere Randbedingungen als für die hier vorgestellte Konstruktion dargelegt. So war diese Konstruktion als Messpalette für Fahrleitungsuntersuchungen und nicht als Einzelschleifleiste für Fahrzeugzulassungen ausgeführt. Die prinzipielle Funktion dieser Theorie wurde aber schon damals bewiesen. Um die Notwendigkeit der Verfahrensverbesserung mit Messwerten zu untermauern, wurden verschiedene Streckenversuche an verschiedenen Zügen durchgeführt. Mit dieser umfangreichen Statistik konnten Unzulänglichkeiten des klassischen Messverfahrens aufgezeigt werden. Die in dieser Arbeit entwickelte Konstruktion musste von Geometrie und Masse dem Original-Schleifstück entsprechen und sollte ebenso die komplette Traktionsenergie übertragen können, sowie die gleichen Kontaktbedingungen zur Oberleitung haben. Für den Einsatz sollten Fahrgeschwindigkeiten bis 400 km/h vorgesehen werden. Hinsichtlich der Festigkeit sollten mindestens die gleichen Werte wie für das Original-Schleifstück erreicht werden. Zudem sollte das Produkt einen Schlag, welcher durch einen herunterhängenden Ast oder Hänger ausgelöst werden kann, überstehen können. Aus messtechnischer Sichtweise sollte die Masse oberhalb der Sensorik so gering wie möglich gehalten werden um Masseträgheitseinflüße zu reduzieren. Außerdem sollten alle vagabundierenden Kräfte und Momente möglichst um den Sensor herum geleitet werden, um diesen nicht zu beeinflussen. Ein weiteres Ziel war, den Sensor geschützt einzuplanen, damit aerodynamische Kräfte ausgeschlossen werden. Lösung Aufgrund dieser Anforderungen wurde ein Sensorkörper entworfen auf dem Faser-Bragg-Gitter appliziert wurden. Nach einer mehrstufigen Entwicklung wurden Sensoren hergestellt, die seit über einem Jahr im Dauereinsatz sind und seither verlässlich Ergebnisse senden. Ein relevantes Ergebnis dieser Entwicklung war, dass derartige Sensorik einen minimalen Bauraum benötigt, der nicht unterschritten werden kann. Aufgrund dessen, musste auch die bis zu diesem Zeitpunkt auf einen sehr viel kleineren Sensortyp ausgerichtete Schleifleiste mit innenliegenden Sensoren entsprechend angepasst werden. In dieser Konstruktion wurde ein Sensor mit Pilzkopf vorgesehen, so dass nur die relevanten Kräfte über den Sensor geleitet und gemessen werden. Alle weiteren Kräfte und Momente werden über eine Lagerkonstruktion geleitet, die Kräfte in der Messrichtung nicht aufnimmt. Um die Masse oberhalb der Sensorik zu minimieren und das Gewicht der Lagerkonstruktion und des Sensors auszugleichen, wurde die Dicke der Schleifkohle erheblich reduziert. Eine gänzliche Substitution der Kohle war nicht möglich, da sonst veränderte Kontaktbedingungen zwischen Schleifleiste und Fahrdraht vorliegen würden. Im Original-Schleifstück wird ein Aluminium-Strangpressprofil verwendete, welches neben dem Stromfluß auch die Festigkeit gewährleistet. Dieses Profil konnte in erster Linie aus Bauraummangel nicht weiter verwendet werden. Deshalb wurde eine Leichtbaukonstruktion aus mehreren U-Profilen vorgesehen, die neben dem benötigten Bauraum auch noch eine Masseeinsparung, durch Nutzung von Faserverbundwerkstoffen, ermöglichte. In dieser Arbeit wurden sowohl die relevanten Festigkeitsberechnungen als auch eine Betrachtung der Erwärmung durch Stromfluss durchgeführt. Diese Handrechnungen wurden mittels Simulationsrechnung validiert. Im Anschluss wurden alle Fertigungsunterlagen erstellt. Die Fertigung wurde mit potentiellen Projektpartnern besprochen, wodurch Schwierigkeiten erkannt und deren Lösungen in den Entwurf eingepflegt wurden. In der wirtschaftlichen Betrachtung wurden Kosten und Nutzen bilanziert. In Summe wurde somit eine Schleifleiste mit modularer innenliegender faseroptischer Sensorik entwickelt. Um deren Vorteil in der Praxis nutzen zu können, wird empfohlen Diese zu fertigen.

A numerical model to predict train induced vibrations is presented. The dynamic computation considers mutual interactions in vehicle/track coupled system by means of a finite and discrete elements method. The vehicle is modeled by 7 bi-dimensional rigid elements representing: the body, the two boogies and the four wheels. The railway is discretized as finite Timoshenko beam elements. Axial deformation is assumed insignificant. The substructure is made-up of: rail-pads, sleepers, ballast, and background. Rail-pads are modeled as spring/damper couples without mass and sleepers are modeled as rigid elements. The rail-sleeper contact is assumed extended to a connection-area, rather than a single point assumption. To model this area many spring/damper couples are disposed along the length of sleepers. The ballast is modeled as blocks of mass made-up of rigid elements, connected to sleeper by spring/damper couples. To allow the transmission of vibrations in longitudinal direction too, spring/damper couples connect ballast elements horizontally.The dynamic interaction between the wheel-sets and the rail is accomplished by using the non-linear Hertzian model with hysteresis damping. The rail defects and the case of out-of-round wheels are considered too.A modal analysis of supporting structure is done to validate the substructure model comparing it to experimental data.Comparisons between numerical results of our model, experimental data and numerical results of others literature models are done on contact-force, rail accelerations and sleepers accelerations to validate the coupled vehicle/track system.Moreover a modal analysis of the coupled vehicle/track system is done to analyze the relationship between resonance frequencies, train velocities and ballast displacements.A sensitivity analysis is done to evaluate the variables more affecting the maintenance costs. The parameters more conditioning the ballast maintenance costs are the ballast modulus and the train mass.The effects of train velocity on the ballast displacements are analyzed in relationship with substructure properties. A new formulation to evaluate the railway toll connected to ballast wear is introduced.A new interpretation of the critical velocity in the range 100-300 km/h is proposed.