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Eine objektorientierte Simulationsumgebung für die Analyse von Schwingungsvorgängen bei Achterbahnfahrten

Malessa, Christian

In der vorliegenden Dissertationsschrift wird für die Simulation von Schienenfahrzeugen auf räumlichen Trajektorien die Anregung des Fahrzeuges durch die Modellierung von realen Schienengeometrien inklusive möglicher Schienenabweichungen realisiert. Hierzu werden zunächst verschiedene Ansätze zur Interpolation und Approxima- tion von Schienenabweichungen untersucht. Es kann gezeigt werden, dass, unabhängig vom gewählten Ansatz, die Interpolation der Schienenabweichungen eine unrealistische Anregung des Fahrzeuges zur Folge hat. Im Gegensatz hierzu kann durch die Approximation der Schienenabweichungen die Anregung reduziert werden. Hierbei hat das Ausmaß der Approximation (Glättung) einen signifikanten Einfluss auf die Qualität der Simulationsergebnisse. Die Arbeit zeigt, dass das Ausmaßes der Approximation durch Analyse der modellierten Abweichungen einfach ”von Hand“ bestimmt werden kann. Die Wirksamkeit der Approximation kann durch Verifikation mit realen Beschleunigungsmesswerten bestätigt werden. Neben der gewählten Schienenmodellierung ist die Parametrisierung des gewählten Hysterese-Kontaktkraftmodells für eine realitätsnahe Anregung des Fahrzeuges entscheidend. Die vorliegende Arbeit zeigt, dass klassische Ansätze zur numerischen Parameteridentifikation mit Hilfe eines Optimierungsproblems aufgrund von Simulationszeiten von circa 80 Sekunden und daraus folgender langer Zeit für die Auswertung einer Kostenfunktion nicht praktikabel sind. Aus diesem Grund werden durch Variation der Kontaktkraftparameter und anschließender Analyse der Simulationsergebnisse mit Hilfe einer neu eingeführten Metrik im Zeit- und Frequenzbereich die Modellparameter durch ein neu entwickeltes semi-automatisches Identifikationskonzept bestimmt. Die Wirksamkeit des Konzeptes kann in der vorliegenden Dissertationsschrift durch die Verifikation mit realen Beschleunigungsmesswerten bestätigt werden. So kann im Zeit- bzw. Frequenzbereich eine um bis zu 59% bzw. 98% verbesserte Übereinstimmung zwischen Mess- und Simulationsergebnissen erreicht werden.

The present thesis shows different interpolating and approximating approaches to realize the simulation of rail-guided vehicles on spacial trajectories which, for realistic excitation, include real measured track imperfections. It can be demonstrated that all investigated interpolation approaches cause unrealistic high excitations and therefore unrealistic simulation results. In contrast to that, much more realistic simulation results can be obtain if an approximating approach is used to consider the track imperfections. It can be clearly demonstrated that the degree of approximation (smoothing) is essential for the quality of the simulation results. If a carefully chosen smoothing factor is employed, the significant imperfections can be considered while the overall roughness and the measurement noise is neglected. It is also shown that a proper smoothing factor can be relatively easy identified "by hand" with a simple analysis of the modelled imperfections. The effectivity was proven by verification with real measurements. Beside of the chosen type of contact-force model a proper tuning is essential as well. The present thesis shows that classical optimization approaches are not applicable due to a computational time around 80 seconds which is common for a track section with meaningful length and trajectory. For this purpose, systematic variations of all contact force model parameters and a newly introduced time and frequency based metric evaluation are used in a semi-automatic approach to identify all necessary contact-force model parameters. The efficiency of the new identification approach can be demonstrated by parameters which result in a better match of measurement and simulation results around 59% and 98% in time and frequency domain respectively.

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Malessa, Christian: Eine objektorientierte Simulationsumgebung für die Analyse von Schwingungsvorgängen bei Achterbahnfahrten. 2016.

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