Zugl.: München, Techn. Univ., Diss., 2009

Universiẗat, Diss., 2000--Freiburg (Breisgau).

Universiẗat, Diss., 2001--Stuttgart.

Motivation - Komplexe Anforderungen an die Karosserie - Unbekannte Auswirkungen von Parametervariationen in der frühen Phase - Informationsdefizit führt zu Iterationsschleifen Ziel Beurteilung der Auswirkung von Parametervariationen von Werkstoffen, Produktionsverfahren, Geometrien auf die Karosserie-Eigenschaften

Zugl.: München, Techn. Univ., Diss., 2009

Die Verkehrsinfrastruktur hat eine essenzielle Bedeutung für den Wirtschaftsstandort Deutschland. Im Besonderen gilt dies für die Straßeninfrastruktur. Der Erhalt sowie der Ausbau des Straßennetzes, vor allem der Bundesfernstraßen, wird in den kommenden Jahren die Bundesrepublik vor enorme Herausforderungen stellen. Die hierfür erforderlichen massiven finanziellen Mittel werden überwiegend durch den deutschen Steuer-zahler getragen. Resultierend hieraus liegt es im Interesse aller, diese finanziellen Mittel möglichst effizient und zielorientiert einzusetzen. Die Sicherstellung einer dauerhaften Verfügbarkeit unserer Straßeninfrastruktur ist nicht nur aus volkswirtschaftlicher Sicht eine primäre Zielsetzung, sondern betrifft auch gesellschaftspolitische Belange. Die stark gestiegenen Beeinträchtigungen des Verkehrsflusses durch Baustellen auf deutschen Autobahnen entspringen nicht nur der subjektiven Wahrnehmung der Verkehrsteilnehmer. Die Anzahl und die Länge der Baustellen haben sich in den letzten Jahren deutlich erhöht und dies lässt sich statistisch auch belegen (ADAC-Statistik). Die Zunahme des Güter-verkehrsaufkommens sowie die bevorstehenden Veränderungen im Zuge des Klima-wandels werden die Herausforderungen im Straßenbau deutlich erhöhen. Diese Einflüsse werden die derzeit bereits vorhandenen Probleme potenzieren. Die konventionelle und heute fast ausschließlich angewendete Dimensionierung des Straßenoberbaus nach den Richtlinien für die Standardisierung des Oberbaus von Verkehrsflächen (RStO 12) stellt keinen zielorientierten Lösungsansatz mehr dar. Über-legungen für hoch belastete Straßen eine Belastungsklasse jenseits der Bk100 (z.B: Bk200, Bk300, Bk400 oder Bk500) einzuführen, werden zwangsläufig in eine Sackgasse führen müssen. Aufgrund der fehlenden Kopplung der Leistungsfähigkeit der Baustoffe und Baustoffgemische wegen der ausschließlich an die Verkehrsbelastung gebundenen standardisierten Vorgabe der Schichtdicken ist dieses Dimensionierungsprinzip längst überholt und nachweislich nicht geeignet, um dauerhafte Befestigungsaufbauten sicherzustellen. Im nachgeordneten Straßennetz, wo zum einen die Verkehrsbelastungen gering und zum anderen die Anforderungen an die Verfügbarkeit der Straßeninfrastruktur moderat sind, kann die Standardisierung des Oberbaus nach den RStO 12 auch weiterhin erfolgen. Für hoch belastete Straßen ist die Zeit für eine grundlegende Veränderung in der Dimensionierung des Oberbaus längst überfällig. Die bevorstehenden Herausforderungen im konstruktiven Straßenbau können nur durch die gezielte Anwendung von rechnerischen Dimensionierungsverfahren gelöst werden. Mit den RDO Asphalt 09 bzw. RDO Asphalt 09/19E steht in Deutschland ein Regelwerk für die Dimensionierung von Oberbauten in Asphaltbauweise zur Verfügung. Das Dimensionierungsverfahren nach den RDO Asphalt berücksichtigt dabei die Verkehrsbelastung sowohl in der Menge (Anzahl Achsübergänge), als auch in der Höhe (Häufigkeitsverteilung der Achslastklassen). Die Temperaturbedingungen im Oberbau werden durch entsprechende Temperaturprofile und zugeordnete Auftretenshäufigkeiten berücksichtigt. Das Materialverhalten der eingesetzten Baustoffe und Baustoffgemische bildet eine wesentliche Grundlage für die Modellierung und zur Berechnung des Beanspruchungszustandes in der Konstruktion. Unter Berücksichtigung aller maß-gebenden Belastungsvariationen (Kombination aus Achslast, Temperaturzustand und zugeordneten Achsübergängen) können die Teilschädigungen unter Einbeziehung des Ermüdungsverhaltens berechnet und zu einer Gesamtschädigung akkumuliert werden. Im Ergebnis des Dimensionierungsprozesses nach den RDO Asphalt werden zum einen die Schichtdicken des Oberbaus individuell an die objektbezogenen Randbedingungen angepasst (dimensioniert) und zum anderen wird durch die erforderliche Nachweisführung an den maßgebenden Nachweispunkten eine rechnerische Nutzungsdauer des Oberbaus von (i.d.R.) 30 Jahren sichergestellt. Der innovative Kern des rechnerischen Dimen-sionierungsverfahrens nach den RDO Asphalt ist die Berücksichtigung des Materialverhaltens der eingesetzten Baustoffe. Im Besonderen gilt dies für das Materialverhalten der Asphalte (Steifigkeitsverhalten, Ermüdungsresistenz, Kälteverhalten). Die ganzheitliche Berücksichtigung der wesentlichen Eingangsgrößen (Verkehrs- und Temperaturbelastung) einschließlich der Berechnung der maßgebenden Beanspruchungen in der Konstruktion in Verbindung mit einer Schadenshypothese machen das Dimensionierungsverfahren nach den RDO Asphalt zu einer weltweiten Innovation in der Dimensionierung von Straßenbefestigungen. Aufbauend auf den derzeit in den RDO Asphalt implementierten Berechnungs- und Nachweisverfahren können nicht nur Asphalttragschichten berücksichtigt werden. Die Übertragung des Berechnungsverfahrens ist auch auf den Bereich der Asphaltdeck- und Asphaltbinderschichten möglich. Hierfür ist der Nachweispunkt in der jeweiligen Schicht mit der höchsten relevanten Beanspruchung zu suchen, um mit diesen in Analogie zum Verfahren der RDO Asphalt den Nachweis auf Ermüdung zu führen. Als Beanspruchungsgröße für die Berechnung der Schädigung basierend auf der Schadenshypothese kann nach derzeitigem Kenntnisstand die größte Hauptdehnung verwendet werden. Die Berücksichtigung des Verformungsverhaltens der Asphalte und der damit einher-gehenden Abschätzung der Spurrinnenanfälligkeit ist derzeit in den RDO Asphalt nur sehr vereinfacht eingebunden. Unter Verwendung des Berechnungsmodells sowie der dimen-sionierungsrelevanten Eingangsgrößen aus den RDO Asphalt ist die Integration einer Spurrinnenprognose in das Dimensionierungsverfahren möglich. Das Modell zur Akkumulation der bleibenden Verformungen ist entwickelt und steht für die Anwendung bereit. Die Voraussetzungen, die Spurrinnenbildung als weiteres Dimensionierungskriterium in die RDO Asphalt aufzunehmen, sind geschaffen. In dieser Arbeit wurde eine Methode zu einer an der rechnerischen Nutzungsdauer orientierten Materialoptimierung vorgestellt und diskutiert. Dieser Lösungsansatz berück-sichtigt gleichermaßen technische Notwendigkeiten und wirtschaftliche Anforderungen an die Mischgutkonzeption von Asphalten mit der Zielstellung, eine avisierte rechnerische Nutzungsdauer zu gewährleisten und somit dauerhafte Oberbauten in Asphaltbauweise herstellen zu können. Die ganzheitliche Betrachtung aller Einflussgrößen auf den Prozess der Materialoptimierung und letztlich auch der eigentlichen Mischgutkonzeption trägt einen richtungsweisenden Charakter im Hinblick auf die Lösung der bevorstehenden Herausforderungen im Straßenbau. Die bauvertraglichen Risiken und Fragestellungen bei Anwendung der RDO Asphalt sind leider noch nicht abschließend geklärt. Eine „ZTV RDO Asphalt“ ist dringend erforderlich, um auch für konventionelle Bauverträge den Weg für eine gezielte Anwendung der RDO Asphalt zu ebnen. Speziell die Problemstellung, Asphalte mit einem definierten Materialverhalten prozesssicher herstellen zu können, wurde in den letzten Jahren schlichtweg unterschätzt bzw. spielt im derzeitigen technischen Regelwerk gar keine Rolle. Die Definition von Anforderungswerten wie beispielsweise dem Erweichungspunkt Ring und Kugel oder der Nadelpenetration für die Charakterisierung und Klassifizierung von Bitumen ist in diesem Zusammenhang technisch wenig zielführend. Die Umstellung der Prüfverfahren für Bitumen auf DSR-Versuche, mit Prüfprozeduren, die zu belastbaren und aussagekräftigen Ergebnissen zur Charakterisierung der Materialverhaltens führen, ist längst überfällig. Die Anforderungswerte des technischen Regelwerkes müssen die Dauerhaftigkeit des Oberbaus als Zielstellung verfolgen. Hierbei wird dem mechanischen Materialverhalten der Asphalte eine primäre Bedeutung zu Teil. Eine Möglichkeit entsprechende Anforderungswerte zu formulieren und dabei einen Kompromiss zwischen der volkswirtschaftlichen Notwendigkeit (lange Nutzungsdauer) und dem derzeit technisch Machbaren (definiertes Materialverhalten) zu wahren, wurde mit der Kategorisierung des Materialverhaltens vorgestellt und diskutiert. Abschließend bleibt festzuhalten, dass mit den RDO Asphalt ein auf die Nutzungsdauer ausgerichtetes Dimensionierungsverfahren zur Verfügung steht, mit dem die bevor-stehenden enormen Herausforderungen im Straßenbau bewältigt werden können. Mit den Softwarelösungen ADtoPave 2018 und PaDesTo stehen in Deutschland zwei kommerzielle Programme zur Verfügung, die alle erforderlichen Funktionalitäten für die Anwendung der rechnerischen Dimensionierung nach den RDO Asphalt bereitstellen. Die Ampel für einen Paradigmenwechsel in der Dimensionierung von Verkehrsflächenbefestigungen steht auf grün.

Motivation - Komplexe Anforderungen an die Karosserie - Unbekannte Auswirkungen von Parametervariationen in der frühen Phase - Informationsdefizit führt zu Iterationsschleifen Ziel Beurteilung der Auswirkung von Parametervariationen von Werkstoffen, Produktionsverfahren, Geometrien auf die Karosserie-Eigenschaften

Die Eisenbahn wird in der Öffentlichkeit als umweltfreundliches Verkehrsmittel gesehen und ist für Personen und Fracht die bedeutendste Alternative zum Straßenverkehr. Die hohe Lärmbelastung, die die Bahn jedoch in Ballungsgebieten oder an stark belasteten Strecken verursacht, führt zu Akzeptanzproblemen in der Bevölkerung und zunehmend in der Politik. Eine Steigerung des Schienenverkehrs ist deshalb nur möglich, wenn die Schallabstrahlung der Schienenfahrzeuge in Zukunft spürbar reduziert werden kann. Im Geschwindigkeitsbereich des konventionellen Güter- und Personenverkehrs ist das Rollgeräusch die dominierende Schallquelle. Bei der Rollbewegung wird die Oberflächenrauheit von Rad und Schiene überfahren und wirkt als Erregung in der Kontaktzone. Rad und Schiene werden in Schwingung versetzt und strahlen Schall ab. Ziel dieser Arbeit ist es, einen ausführbaren CAE-Prozess aufzubauen und anzuwenden, der auf dem aktuellen Stand der Modellierungstechnik die Optimierung von Eisenbahnrädern nach akustischen Gesichtspunkten ermöglicht. Der Kernbestandteil dieses Prozesses sind effiziente Methoden, die es ermöglichen, für einen rotationssymmetrischen Radsatz binnen weniger Sekunden die im Rad-Schiene-System abgestrahlte Schallleistung zu berechnen. Die Modellierung der Schwingung und Schallabstrahlung des rotierenden Radsatzes bildet einen Schwerpunkt. Verschiedene Anregungshypothesen und -modelle werden gegenübergestellt und anhand eines Prüfstandsversuchs auf ihre Validität untersucht. Der Anregungsmechanismus des Rollgeräuschs wird aus der Literatur aufgearbeitet und ein Modell für die Schallvorhersage daraus entwickelt. Dabei spielt die Körperschallleistung des Rades eine entscheidende Rolle. Sie kann mit Hilfe der Ergebnisse einer numerischen Modalanalyse sehr schnell und automatisiert berechnet werden und stellt im Falle des Eisenbahnrades eine effiziente und brauchbare Alternative zu aufwendigen BEM-Simulationen dar. Die Wirkung der Rauheit wird mit einem Kontaktmodell untersucht und die Filterwirkung des Kontakts dabei ermittelt. Es werden Studien zur wegerregten Schwingung im Rad-Schiene-System vorgestellt, in denen sich einige Spezifika offenbaren. Nahe seinen Eigenfrequenzen zeigen sich für den Radsatz erwartungsgemäß erhöhte Schwingungsamplituden. Jedoch ist dies keine eigentliche Resonanz sondern ein Effekt von Antiresonanz bzw. Tilgung. Dies führt u. A. dazu, dass eine Erhöhung der Dämpfung zwar die Schwingung vermindert, die Wirkung jedoch weit hinter der unter Krafterregung zu erwartenden Reduktion zurückbleibt. Ein in ANSYS parametrisch modellierter Güterwagen-Radsatz wird hinsichtlich Masse und Schallleistung optimiert. Es zeigt sich ein Verbesserungspotenzial gegenüber beispielhaft gewählten Referenzradsätzen von ein bis drei Dezibel. Ein für den praktischen Einsatz verwendbares, akustisch optimiertes Rad ist im Rahmen der Arbeit nicht entwickelt worden. Der CAE-Prozess stellt jedoch ein Werkzeug dar, die konstruktiven Freiräume bei der Entwicklung von Radsätzen zielgerichtet so auszunutzen, dass hierbei ein möglichst leises Rad entsteht.

Die Eisenbahn wird in der Öffentlichkeit als umweltfreundliches Verkehrsmittel gesehen und ist für Personen und Fracht die bedeutendste Alternative zum Straßenverkehr. Die hohe Lärmbelastung, die die Bahn jedoch in Ballungsgebieten oder an stark belasteten Strecken verursacht, führt zu Akzeptanzproblemen in der Bevölkerung und zunehmend in der Politik. Eine Steigerung des Schienenverkehrs ist deshalb nur möglich, wenn die Schallabstrahlung der Schienenfahrzeuge in Zukunft spürbar reduziert werden kann. Im Geschwindigkeitsbereich des konventionellen Güter- und Personenverkehrs ist das Rollgeräusch die dominierende Schallquelle. Bei der Rollbewegung wird die Oberflächenrauheit von Rad und Schiene überfahren und wirkt als Erregung in der Kontaktzone. Rad und Schiene werden in Schwingung versetzt und strahlen Schall ab. Ziel dieser Arbeit ist es, einen ausführbaren CAE-Prozess aufzubauen und anzuwenden, der auf dem aktuellen Stand der Modellierungstechnik die Optimierung von Eisenbahnrädern nach akustischen Gesichtspunkten ermöglicht. Der Kernbestandteil dieses Prozesses sind effiziente Methoden, die es ermöglichen, für einen rotationssymmetrischen Radsatz binnen weniger Sekunden die im Rad-Schiene-System abgestrahlte Schallleistung zu berechnen. Die Modellierung der Schwingung und Schallabstrahlung des rotierenden Radsatzes bildet einen Schwerpunkt. Verschiedene Anregungshypothesen und -modelle werden gegenübergestellt und anhand eines Prüfstandsversuchs auf ihre Validität untersucht. Der Anregungsmechanismus des Rollgeräuschs wird aus der Literatur aufgearbeitet und ein Modell für die Schallvorhersage daraus entwickelt. Dabei spielt die Körperschallleistung des Rades eine entscheidende Rolle. Sie kann mit Hilfe der Ergebnisse einer numerischen Modalanalyse sehr schnell und automatisiert berechnet werden und stellt im Falle des Eisenbahnrades eine effiziente und brauchbare Alternative zu aufwendigen BEM-Simulationen dar. Die Wirkung der Rauheit wird mit einem Kontaktmodell untersucht und die Filterwirkung des Kontakts dabei ermittelt. Es werden Studien zur wegerregten Schwingung im Rad-Schiene-System vorgestellt, in denen sich einige Spezifika offenbaren. Nahe seinen Eigenfrequenzen zeigen sich für den Radsatz erwartungsgemäß erhöhte Schwingungsamplituden. Jedoch ist dies keine eigentliche Resonanz sondern ein Effekt von Antiresonanz bzw. Tilgung. Dies führt u. A. dazu, dass eine Erhöhung der Dämpfung zwar die Schwingung vermindert, die Wirkung jedoch weit hinter der unter Krafterregung zu erwartenden Reduktion zurückbleibt. Ein in ANSYS parametrisch modellierter Güterwagen-Radsatz wird hinsichtlich Masse und Schallleistung optimiert. Es zeigt sich ein Verbesserungspotenzial gegenüber beispielhaft gewählten Referenzradsätzen von ein bis drei Dezibel. Ein für den praktischen Einsatz verwendbares, akustisch optimiertes Rad ist im Rahmen der Arbeit nicht entwickelt worden. Der CAE-Prozess stellt jedoch ein Werkzeug dar, die konstruktiven Freiräume bei der Entwicklung von Radsätzen zielgerichtet so auszunutzen, dass hierbei ein möglichst leises Rad entsteht.

Die neuen Fertigungsmöglichkeiten durch die Additive Fertigung ermöglicht es nicht nur topologisch neuartige Bauteile herzustellen, sondern auch Bauteile mit inneren Strukturen zu versehen, die der Bauteilbelastung angepasst sind oder anderen Funktionen Freiräume bieten. Ein Ansatz ist es durchlässige innere Strukturen, z. B. Gitterstrukturen (auch als Lattice Strukturen bezeichnet) einzusetzen und durch die damit geschaffenen großen inneren Flächen eine effiziente Bauteilkühlung zu realisieren. Anhand eines einfachen Beispiels wird durch Simulation und Experiment die Wirkung einer solchen Kühlung gezeigt. Als weiteres Anwendungsbeispiel wird der Einsatz verschiedener innere Strukturen zur festigkeitsgerechten Gestaltung gewichtsoptimierter Bauteile vorgestellt. In beiden Fällen wird die Gestaltung mit Hilfe von FE-Modellen experimentell begleitet. / The new manufacturing possibilities offered by additive manufacturing not only allows to produce topologically novel components, but also enables to provide components with internal structures that are adapted to the component load or offer new possibilities for other functions. One approach is to use permeable internal structures, e. g. lattice structures, to realize efficient component cooling through the large internal surfaces created thereby. The effect of such a cooling is demonstrated by simulations and experiments using a simple example. As a further application example, the use of various internal structures for the strength-oriented design of weight-optimized components will be presented. In both cases the design is experimentally accompanied by FE models.