Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-1940
Main Title: Einfluss der Faserverbund-Sandwichbauweise auf die kollisionssichere Gestaltung von Schienenfahrzeugen
Translated Title: Influence of FRP sandwich constructions on the crashworthiness of rail vehicles
Author(s): Reich, Sebastian
Advisor(s): Hecht, Markus
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät V - Verkehrs- und Maschinensysteme
Type: Doctoral Thesis
Language: German
Language Code: de
Abstract: Durch die neuen Anforderungen an die kollisionssichere Gestaltung von Schienen-fahrzeugen mit der Einführung der EN 15227 wird der Frontbereich in einer Art beansprucht, die zuvor nicht Gegenstand der Betrachtungen war. Das maßgebende Design-Kollisionsszenario ist dabei die Kollision mit dem deformierbaren Hindernis, das die gesamte Frontstruktur oberhalb des Untergestells beansprucht. Durch die Entwicklung von Fahrzeugplattformen mit modularen Subsystemen und die konsequente Umsetzung der Leichtbauweise hat sich in diesem Bereich die Faserverbund-Sandwichbauweise durchgesetzt. In der Vergangenheit wurden diese Fahrzeugkopfmodule ausschließlich unter quasi-statischer Beanspruchung nach EN 12663 untersucht. In dieser Arbeit wurde die Frage beantwortet, wie sich Faserverbundwerkstoffe unter diesen dynamischen Beanspruchungen verhalten und zu welchem Anteil diese an der Energieabsorption des Schienenfahrzeuges beitragen können. Als Versuchsgegenstand für experimentelle Grundlagenuntersuchungen wurden gerade und überwiegend einfach-gebogene Versuchsplatten gewählt, die bezüglich des Aufbaus konventionellen Schienenfahrzeugen entsprachen. Mit numerischen Simulationen der experimentellen Untersuchungen konnte gezeigt werden, dass das Materialverhalten der GFK-Sandwichkonstruktion mittels der FEM-Methode abgebildet werden konnte. Die gewonnenen Erkenntnisse wurden anschließend auf ein GFK-Frontmodul übertragen. Für die Untersuchungen wurde ein Regionalfahrzeug gewählt, das in konventioneller Bauweise entwickelt wurde, um die Vorteile der Energieabsorption durch das GFK-Frontmodul schon bei Fahrzeugen aufzuzeigen. Durch den Vergleich der Ergebnisse von FEM-Simulationen, mit und ohne Berücksichtigung des GFK-Frontmoduls, konnte ermittelt werden, welche Anteile an der Verformungsarbeit von den einzelnen Fahrzeugstrukturen geleistet werden. Die FEM-Simulationen des Design-Kollisionsszenarios 3 wurden mit Kollisionsgeschwindigkeiten von 20 km/h bis 110 km/h in Schritten von jeweils 10 km/h durchgeführt. Die Ergebnisse zeigten, dass die GFK-Frontmodul das grundsätzliche Verformungsverhalten der gesamten Fahrzeugstruktur nicht ändern konnte, aber durch die Aufnahme von Verformungsarbeit die Verformungen der Fahrzeugstruktur reduzieren kann. Es konnte eine Verformungsreduktion bis zu 55,3 % bei einer Kollisionsgeschwindigkeit von 30 km/h ermittelt werden. Bei allen Kollisions-geschwindigkeiten konnten keine wesentlichen Erhöhungen der Fahrzeuglängskräfte festgestellt werden. Die Ergebnisse der Arbeit zeigen, dass schon beim Einsatz der konventionellen Faserverbund-Sandwichbauweise prozentual nicht vernachlässigbare Verformungsenergien von 3,4 % bis 9,3 % der Gesamtverformungsarbeit aufgenommen werden können. Bei der Entwicklung von kollisionssicheren Schienenfahrzeugen sollte daher zukünftig der Einfluss des GFK-Frontmoduls bei geringen Kollisionsgeschwindigkeiten berücksichtigt werden.
The structural crashworthiness requirements for new rail vehicles according to EN 15227 have an important influence on their design. The collision with a lorry on a railway level crossing is the determining design collision scenario. The new model of the 15-tons deformable obstacle causes contact forces acting above the underframe, which were never considered in the design development before. In this front region the application of front modules constructed as glass fibre reinforced sandwich structure was forced by modular design concepts with lightweight construction solutions. In the past these front modules were only analysed under quasi-static loads according to EN 12663. In this thesis investigations were performed to clarify the behaviour of these glass fibre reinforced sandwich structure under dynamic loads in the collision with a lorry on a railway level crossing. In the first step experimental investigations with straight and curved sandwich-panels were used to study the principal behaviour, which were produced with a conventional layer structure. Numerical simulations with the commercial FEM software LS-DYNA were performed to validate the experimental investigations. These numerical investigations were used to develop a numerical model of a whole front module structure modelled as glass fibre reinforced sandwich structure. Afterwards numerical simulations of the collision with a lorry on a railway level crossing with the front structure and a representative part of a car body were performed by collisions velocities from 20 km/h to 110 km/h. For these investigations a conventional train set was chosen. Therefore it was possible to show the influence of the front module by current operating rail vehicles. Comparison between simulations with and without consideration of the front module it was shown which parts of the rail vehicle construction take part in the energy absorption. The results shown the deformation behaviour of the whole vehicle structure was not affected, but the front module absorbed a significant part of the whole collision energy and reduced the vehicle deformations. The displacements were reduced up to 55,3 % by a collision velocity of 30 km/h. There were no significant varieties in the longitudinal force characteristics and an energy absorption between 3,4 % and 9,3 % of the whole collision energy was demonstrated. Summarizing the results of these investigations the front module constructed as glass fibre reinforced sandwich structure is able to absorb a significant part of the collision energy. In the future the influence of the front module should be considered in the crashworthiness of the rail vehicle in low velocity collisions.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus-19703
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/2237
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-1940
Exam Date: 27-Jun-2008
Issue Date: 11-Aug-2008
Date Available: 11-Aug-2008
DDC Class: 620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Subject(s): Energieabsorption
Glasfaserverstärkte Kunststoffe
Passive Sicherheit
Sandwichkonstruktion
Schienenfahrzeuge
Energy absorption
Glass-fibre reinforced plastics
Passive safety
Rail vehicles
Sandwich construction
Creative Commons License: https://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/2.0/
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