Abstrakt:
Gegenstand dieses Projektes ist die Bereitstellung eines geeigneten Simulationswerkzeuges für die numerische Untersuchung der beim Rollkontakt zwischen Rad und Schiene auftretenden Phänomene. Hierbei liegt das Hauptaugenmerk auf der kontinuumsmechanischen Formulierung des mechanischen Feldproblems kontaktierender Körper sowie dessen numerischer Lösung mittels der Finite-Element-Methode.
Zur Reduzierung des bei der Simulation von Rollkontakt aus der notwendigen sehr feinen Diskretisierung der Kontaktgebiete resultierenden numerischen Aufwandes wird eine relativkinematische Beschreibung herangezogen. Diese gemischte LAGRANGE-EULER-Betrachtungsweise beruht auf der Zerlegung der Bewegung in einen Starrkörperanteil und eine dazu relative Deformation. Die Herleitung der Bewegungsgleichung für das Kontaktproblem erfordert die relativkinematische Formulierung der kontinuumsmechanischen Grundgleichungen, d.h. der Bilanzgleichungen sowie der konstitutiven Beziehungen. Eine geeignete Kontaktmechanik einschließlich der Berücksichtigung des Kontakts rauer Oberflächen und veränderlicher Kontaktrandbedingungen ist ebenfalls notwendig. Die physikalische Einbindung der Körper in die Umgebung erfolgt über NEUMANNsche und DIRICHLETsche Randbedingungen.
Auf dieser Basis können die Bewegungsgleichungen der Elastomechanik hergeleitet werden, welche sich jedoch einer analytischen Lösung verschließen. Somit werden sie in ihrer schwachen Form im integralen Mittel formuliert, was der Anwendung des Prinzips der virtuellen Verschiebungen als Ausgangspunkt für die numerische Lösung entspricht. Die rechentechnische Umsetzung erfordert die inkrementelle und diskrete Formulierung der Bewegungsgleichungen unter besonderer Beachtung der Trägheits-und Kontaktterme, wobei auf die Unterscheidung zwischen Haften und Gleiten beim Tangentialkontakt besonderes Augenmerk gelegt wird. Die numerische Lösung des Finite-Element-Gleichungssystems liefert den aktuellen Beanspruchungszustand zweier Körper im Rollkontakt. Die Funktionsfähigkeit der entwickelten Algorithmen wird abschließend anhand aussagekräftiger Beispielrechnungen zum statischen Kontakt und zum stationären Rollkontakt demonstriert, deren Ergebnisse gute Übereinstimmung mit analytischen Vergleichslösungen, soweit verfügbar, aufweisen.
Referenzen:
"Zur Finite-Element-Modellierung des stationären Rollkontakts von Rad und Schiene", Dissertation Dipl.-Ing. Sabine Damme, Heft 4 der Reihe "Berichte des IMF", 2006
@Inbook{Damme2003, author="Damme, Sabine and Nackenhorst, Udo and Wetzel, Anja and Zastrau, Bernd W.", editor="Popp, Karl and Schiehlen, Werner", chapter="On the Numerical Analysis of the Wheel-Rail System in Rolling Contact", title="System Dynamics and Long-Term Behaviour of Railway Vehicles, Track and Subgrade", year="2003", publisher="Springer Berlin Heidelberg", address="Berlin, Heidelberg", pages="155--174", isbn="978-3-540-45476-2", doi="10.1007/978-3-540-45476-2_10", url="http://dx.doi.org/10.1007/978-3-540-45476-2_10"}
V. Pauk, B. Zastrau, 2D rolling contact problem involving frictional heating, International Journal of Mechanical Sciences, Volume 44, Issue 12, December 2002, Pages 2573-2584, ISSN 0020-7403, http://dx.doi.org/10.1016/S0020-7403(02)00193-5.
“Advanced Contact Mechanics–Road and Rail”, Klaus Knothe , Ralf Wille , Bernd W. Zastrau, Vehicle System Dynamics, Vol. 35, Iss. 4-5, 2001, DOI: 10.1076/vesd.35.4.361.2043, 2001
Weitere Informationen sind der Detailbeschreibung zu entnehmen.
