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Im Sommersemester 2024 konnte ich mich während eines Freistellungssemesters ganz einem Forschungsthema widmen. Das Thema „Compressed Sensing“ stand im Mittelpunkt dieses Semesters. Dies ist eine moderne Methodik der Datenerfassung, die in mein Berufungsgebiet der „Sensorik und Messtechnik“ als Professor an der HTWG Konstanz fällt. Zu Beginn dieses Semesters habe ich mich eingearbeitet in dieses Forschungs-Themengebiet. Dazu habe ich Fachbücher, wissenschaftliche Forschungsartikel und Review-Paper gesucht, teilweise angeschafft, und durchgearbeitet. Nach dieser umfangreichen Literaturrecherche habe ich dann einige Software-Bibliotheken für diese Methodik evaluiert. Mehrere dieser Bibliotheken habe ich installiert und mit Anwendungsbeispielen evaluiert. Ein konkretes, industrielles Messverfahren für Lidar-Sensoren habe ich vertieft mit der Methode der „Finite Rate of Innovation“ untersucht und daraus ein Konzept für einen Forschungsantrag erarbeitet. Zum Abschluss des Semesters habe ich mit mehreren Firmen der Region Kontakt aufgenommen und geklärt ob Interesse an diesem Forschungsthema besteht. Interessierte Firmen habe ich vor Ort besucht, mein Forschungsthema dort vorgestellt und die Möglichkeit von industriellen Anwendungsmöglichkeiten und Forschungs-Kooperationen diskutiert.

Torsionsschwingungen von Radsätzen mit torsionssteif gekoppelten Radkörpern können beträchtliche Torsionsmomente in der Radsatzwelle von Schienenfahrzeugen verursachen. Die Anregung der Schwingung erfolgt durch einen mit zunehmender Gleitgeschwindigkeit abfallenden Kraftschluss im Rad-Schiene-Kontakt. Messergebnisse zeigen, dass die entstehenden dynamischen Torsionsmomente in der Radsatzwelle ein Vielfaches des quasistatischen Nennmoments betragen können. Die vorliegende Arbeit beschreibt verschiedene Berechnungsverfahren die realistische, maximale, dynamische Torsionsmomente der Radsatzwelle ermitteln. Außerdem werden Konstruktionspotentiale identifiziert, die das dynamische Torsionsmaximum reduzieren. Auf Grundlage der Rad-Schiene-Kontaktmechanik und der Analyse von Messdaten werden einerseits kritische, schwingungsanregende Kraftschlussfunktionen ermittelt und andererseits die relevanten Eigenfrequenzen der Antriebssysteme festgestellt. Die modellierten Mehrkörpersysteme ermöglichen durch Modalanalysen ein tieferes Verständnis der Schwingungssysteme im Hinblick auf die zu untersuchende Radsatz-Torsions-schwingung. Parameterstudien und Stabilitätsuntersuchungen zeigen die Einflüsse auf die Dämpfung und des damit verbundenen dynamischen Torsionsmoments, wodurch mehrere Optimierungsmaß-nahmen aufgezeigt werden können. Der entwickelte Berechnungsansatz führt schließlich durch gezielte Vereinfachungen auf ein analytisches Verfahren, welches im Vergleich zu den numerischen Berechnungen akzeptable Ergebnisse hinsichtlich des dynamischen Torsionsmaximums erreicht und in der Vorauslegung von Radsätzen und Antriebssystemen verwendet werden kann.

Dieses Lehrbuch zeigt, wie die in einem Bauteil auftretenden Spannungen mit Hilfe der FEM-Methode bestimmt werden können. Dazu wird zunächst auf mechanische Grundlagen und das Materialverhalten eingegangen, bevor die Spannungen in einer überschaubaren Fachwerksgeometrie und in Volumenelementen berechnet werden. Anschließend wird dargestellt, wie aus den Spannungen die Betriebsfestigkeit der Bauteile unter determinierten und stochastischen Lasten abgeleitet werden kann. Dabei wird auch die FKM-Richtlinie berücksichtigt. Für den fortgeschrittenen Leser werden die Grundlagen durch Berechnungsverfahren ergänzt, die bei anspruchsvolleren Berechnungsmodellen angewandt werden müssen.

Nach heutigem Stand der Technik kommen für die Dekontamination von Störstellen wie z.B. Ecken und Innenkanten, weitestgehend Technik aus dem konventionellen Sanierungsbereich zum Einsatz. Maschinen wie Nadelpistolen und Stockgeräte belasten das Arbeitspersonal mit starken Vibrationen und hohen Rückstellkräften. Daher sind entsprechend lange Pausenzeiten erforderlich, wodurch die ohnehin schon geringe Abtragleistung weiter gesenkt wird. Neben dem zusätzlichen Mehraufwand kann die Technik, aufgrund fehlender Absaugungseinrichtungen, unter Umständen zu einer Kontaminationsverschleppung führen. Hierbei werden in bereits dekontaminierten Bereichen kontaminierte Partikel verteilt, wodurch die erzielten Bearbeitungsfortschritte teilweise rückgängig gemacht werden. Aufgrund der Vielzahl von Nachteilen, die bei den bisher eingesetzten Geräten auftreten, wurde das Forschungsprojekt EKONT-1 zur „Entwicklung eines innovativen, teilautomatisierten Gerätes für eine trocken-mechanische Ecken-, Kanten- und Störstellendekontamination in kerntechnischen Anlagen“ angestoßen und durchgeführt. Im Rahmen dieses Projektes konnten viele neue Erkenntnisse gewonnen und mehrere funktionsfähige Prototypen entwickelt, gebaut und sowohl im Labor als auch im praktischen Einsatz getestet werden. Da im Laufe der Versuche noch einige Verbesserungspotenziale aufgetreten sind, wurde zum 01.07.23 das Folge Projekt EKONT-2 gestartet, was sich mit der Weiterentwicklung der existierenden Prototypen beschäftigt.

Unter bestimmten Kontaktbedingungen zwischen Rad und Schiene können selbsterregte Schwingungen angeregt werden, die zu gegenphasigen Drehbewegungen der Radscheiben und hohen Torsionsmomenten in der Radsatzwelle führen. Zur Bestimmung des maximalen Torsionsmoments sind bislang aufwendige Testfahrten erforderlich, da keine Verfahren bekannt waren, die eine konservative Berechnung des Torsionsmoments ermöglichen [1]. In den vergangenen Jahren wurden die drei folgenden Berechnungsmethoden vertieft untersucht, um das maximale, dynamische Torsionsmoment zu berechnen: - Simulationen von komplexen Mehrkörpersystemen (MKS) - Differentialgleichungssysteme mit numerischer Berechnung - Analytische Berechnung durch Reduktion auf ein Minimalmodell In dieser Publikation sollen diese Berechnungsmethoden näher vorgestellt werden und durch eine Gegenüberstellung der jeweils berechneten und gemessenen Ergebnisse deren Möglichkeiten aber auch Limitationen aufgezeigt werden.