14.02.2022 – Kategorie: Fertigung & Prototyping

Topologie-Optimierung: Revolution der Bahnlogistik

Topologie-OptimierungQuelle: TransAnt GmbH

Mit seiner modularen Güterwagen-Plattform will TransAnt die Bahnlogistik revolutionieren. Mithilfe der Altair-Lösungen für Topologie-Optimierung und normgerechte Schweißnahtbewertung konnte das Unternehmen ein neuartiges Design in Leichtbauweise erfolgreich entwickeln und zertifizieren.

Noch bis vor Kurzem sahen Güterwagen nicht viel anders aus als im letzten Jahrhundert. Technische Innovationen und eine Topologie-Optimierung, um das unbestritten umweltfreundlichste Transportmittel noch wirtschaftlicher und nachhaltiger zu machen, gab es nur wenige.

Nachhaltigkeit auf der Schiene durch Topologie-Optimierung?

Erst ein erhöhtes Nachhaltigkeitsbewusstsein und vor allem die hoch gesteckten Klimaziele der EU setzten in diesem Bereich einen Umdenkprozess in Gang. Um die geforderte Klimaneutralität erreichen zu können und gleichzeitig höhere Nutzlasten zu erzielen, braucht der Bahnsektor einen Innovationsschub. Denn in der hart umkämpften Logistikbranche lassen sich Wettbewerbsfähigkeit und Nachhaltigkeit nur mit neuartigen, effizienteren Güter­wagen erreichen.

Als wichtiger Innovationstreiber im Schienenfahrzeugbau hat sich die Digitalisierung erwiesen. Sie bietet umfangreiche Möglichkeiten zur Verbesserung der Zuverlässigkeit von Schienenfahrzeugen und Anlagen bei gleichzeitiger Optimierung der Entwicklungs-, Fertigungs- und Betriebskosten.

Ein Unternehmen, das sich der Innova­tion und Nachhaltigkeit im Bahnsektor verschrieben hat und dabei die Digitalisierung nutzt, ist die TransAnt GmbH, ein Joint Venture aus der ÖBB Rail Cargo Group und der Voestalpine Steel Division. Gegründet wurde das innovative Unternehmen 2020 mit dem Ziel, effizientere und nachhaltigere Schienengüterverkehrslösungen auf den Markt zu bringen und die Bahn­logistik noch wirtschaftlicher zu machen. Mit seinem zukunftsweisenden, modularen Leichtbaukonzept will das Unternehmen den Markt als Komplettanbieter von Güterwagen revo­lutionieren, neue Kapazitäten auf dem Markt schaffen und die Kunden dabei unterstützen, die vorhandene begrenzte Infrastruktur so effizient wie möglich zu nutzen.

Herausforderung Serienreife und Zertifizierung

Die Anforderungen im Schienenverkehr sind hoch. Die Güterwagen-Konstruktionen müssen funktional und äußerst robust sein, da die Fahrzeuge über Jahrzehnte hinweg und unter rauesten Bedingungen im Einsatz sind. Darüber hinaus unterliegen Schienenfahrzeuge strengen Vorschriften, Regularien und Normen. In der Entwicklung von Schienenfahrzeugen kommt der Schweißnahtzertifizierung aufgrund dieser Qualitätsstandards eine besondere Bedeutung zu.

Das Projekt TransANT wurde 2019 zunächst als Koopera­tion der ÖBB Rail Cargo Group, der Voest­alpine Steel Division und des Systemlösungs­anbieters PJM ins Leben gerufen und hatte das Ziel, einen leichten und flexiblen Waggon aus hochfestem Leichtbaustahl zu entwickeln und zu bauen. Der Kerngedanke dieses Konzepts ist die Modularität des TransANT-Wagens, der aus einer Plattform und einem Aufbau besteht. Das Baukastenprinzip setzt sich in der Konstruktion der Plattform fort: Hier können jeweils zwei standardisierte Kopfstücke mit einem Mittelträger kombiniert werden, um verschiedene Wagenlängen von 10 bis 21 Meter (33 bis 70 Fuß) zu realisieren. Der modulare Aufbau des Güterwagens ermöglicht so eine schlanke, hochautomatisierte Produktion und ein Höchstmaß an Standardisierung, so dass Herstellungskosten gesenkt und der Weg zur Serienproduktion geebnet werden kann.

Topologie-Optimierung
Ergebnis der Topologie-Optimierung auf Basis des verfügbaren Bauraums und der relevanten Belastungsszenarien. Bild: TransAnt GmbH

Opti­mierung der Schweißnähte

Für die normgerechte Beurteilung der Schweißnähte in Bezug auf Ermüdung sowie für die erfolgreiche Zertifizierung der Schweißkonstruktion benötigte das Projektteam ein innovatives Konzept zur Opti­mierung der Schweißnähte. Die Herausforderung bestand darin, das Gewicht des Wagens zu minimieren und gleichzeitig eine langlebige und robuste Struktur zu schaffen, die unter Belastung nur geringe Verformungen aufweist. Der neuartige Güterwagen sollte zahlreiche komplexe Anforderungen erfüllen, darunter optimales Gewicht, maxi­male Sicherheit und ein möglichst standardisierter Herstellungsprozess für die geplante Serienproduktion. Um ein besseres Verständnis der Schweißkonstruktion zu erlangen und den Entwicklungsprozess zu optimieren, griff das Entwicklungsteam auf Simulationslösungen von Altair zurück.

Innovationskatalysator Topologie-Optimierung

Am Anfang des Designprozesses stand eine Konzeptstudie der TransANT-Schweißkon­s­truktion, in der das Grunddesign – eine Konstruktion auf Basis eines Mittelträgers – festgelegt wurde. Danach konstruierten die Ingenieure das Kopfstück, das die Grundlage für die Ausführung der zahlreichen Längenvarianten bildet. Im ersten Schritt wurden alle relevanten Szenarien für die ­Topologie-Optimierung definiert, um sicher­zustellen, dass alle Lastfälle im Optimierungsprozess berücksichtigt werden und die finale Struktur diesen Belastungen standhalten kann. Das Team definierte den maximalen Bauraum des Waggons, brachte sämtliche relevanten Kräfte auf und führte die Optimierung unter Berücksichtigung weiterer Randbedingungen durch.

Topologie-Optimierung
Optimierung einer geschweißten Struktur aus hochfestem Leichtbaustahl. Bild: TransAnt GmbH

In Abhängigkeit dieser Randbedingungen erhielten die Ingenieure so eine Vielzahl an möglichen Lösungen für ihr Design, analysierten dann die Struktur des Wagens und gelangten schließlich zu einem konsistenten modularen System. Die Projektingenieure nutzten Altair HyperWork für die Topologie-Optimierung – insbesondere Altair HyperMesh – um den Übergang zu einer schweißbaren Struktur zu realisieren, Altair HyperView für das Pre- und Postprocessing sowie Altair OptiStruct für die Finite-Elemente (FE)-Analyse (einschließlich lokaler Knickung) und Optimierung.

Nach einigen Iterationen der FE-Simulation wurde die endgültige Struktur in ­einem FE-Modell für die Festigkeits- und Ermüdungsbeurteilungen verwendet, die für die Zertifizierung des Wagens erforderlich waren (Schweißnahtnachweis nach Norm). Schließlich konnten die Ingenieure das aus dem finalen FE-Modell abgeleitete CAD-Modell für die Herstellung der Prototypen nutzen.

Virtuelle Schweißnaht-Zertifizierung nach Maß

Das innovative Design des TransANT-Waggons schöpfte das vorhandene Potenzial der Topologie-Optimierung voll aus und reduzierte das Gewicht der Waggon-Plattform um 20 Prozent, während gleichzeitig die Nutzlast erhöht und ein Maximum an Sicherheit und Flexibilität gewährleistet werden konnte. Durch die Kombination von modularem Waggonkonzept mit der Altair-Topologie-Optimierung für Blechschweißkonstruktionen ist der TransANT nun auf der Zielgeraden zu einer schlanken, hochautomatisierten Produktion und bietet gleichzeitig ein Höchstmaß an Flexibilität, um kundenspezifische Anforderungen umzusetzen. Die Altair-Lösungen haben maßgeblich dazu beigetragen, die für die Zertifizierung und Genehmigungsverfahren benötigten Nachweisrechnungen zu erbringen – und werden auch in Zukunft innovative Projekte begleiten und unterstützen.

„Dank der Altair-Lösungen konnten wir typische Probleme im Schweißnaht-Verifizierungsprozess, die für den Zulassungsprozess maßgeblich sind, lösen und gleichzeitig unser Seriendesign leichter und effizienter gestalten“, betont Andreas Tomschi, Entwicklungsingenieur für den TransANT.

Der Autor Mirko Bromberger ist Director Marketing Strategy bei Altair.

Lesen Sie auch: High-Performance-Computing: Was sich hinter dieser Strategie verbirgt


Teilen Sie die Meldung „Topologie-Optimierung: Revolution der Bahnlogistik“ mit Ihren Kontakten:

Zugehörige Themen:

Antriebstechnik, Fertigung, Simulation

Scroll to Top