Analysis of Railway Ballast Behaviour using Molecular-Dynamic Simulation
Final Report Abstract
Das mechanische Verhalten des Schotters ist bisher kaum verstanden. Das liegt zum einen an der großen Anzahl der Schottersteine und deren zufälliger Geometrie und Lage im Schotterbett. Zum anderen treten kurzzeitige hochdynamische Belastungen durch die Zugüberfahrt wie auch über längere Zeiträume Setzung und Schädigung auf. Während die Setzung die makroskopische Verschiebung der Schwelle beschreibt, sind die entscheidenden Ursachen hierfür die Verschiebungen der einzelnen Schottersteine. Dadurch erfordert die erfolgreiche Simulation der Vorgänge eine zeitliche und räumliche Mehrskalenbetrachtung. Durch die hier verwendete molekulardynamische Simulation des Schotters gelingt es, diese Mehrskalenbetrachtung rechenzeiteffektiv zu realisieren und zudem die nichtlinearen Kontakteigenschaften mit zu berücksichtigen. Die Simulationen zeigen, dass sich einzelne Lastpfade durch den Schotter ergeben und dadurch nur ein kleiner Teil der Schottersteine belastet wird. Der für die Kontaktmodellierung entscheidende Reibwert zwischen den Schottersteinen ist experimentell untersucht worden. Der mittlere Reibwert liegt je nach Normalkraft zwischen μ=0,9 und μ=1,1. Der Reibwert nimmt mit der Normalkraft leicht ab und unterliegt größeren stochastischen Schwankungen. Das Schottermodell ist anhand von Messungen des Schotter-Großversuchsstandes der Bundesanstalt für Materialwesen (BAM) in Berlin validiert worden. Das Übertragungsverhalten von Bodenbewegung zu Schwellenbewegung ist bis zu Erregerfrequenzen von 40-50 Hz gut abbildbar. Darüber hinausgehende Frequenzen führen sowohl in der Messung als auch in der Simulation zu stark schwankenden Ergebnissen. Um die Wechselwirkungen zwischen verschiedenen Schwellen über das Schotterbett untersuchen zu können, ist ein Modell mit drei Schwellen entwickelt worden. Es zeigt, dass sowohl die Belastung der Nachbarschwellen als auch die Schotterkonfiguration unter den Nachbarschwellen das Setzungsverhalten beeinflusst. Insgesamt ist es gelungen, ein tieferes Verständnis für die Kontakteigenschaften zwischen den Schottersteinen zu gewinnen und die Einflüsse auf das Setzungsverhalten anhand des validierten Modells exemplarisch aufzuzeigen. Eine Weiterführung der Arbeiten ist nicht unmittelbar vorgesehen, wenngleich von verschiedenen Seiten hieran Interesse bekundet wurde. Möglicherweise ergeben sich durch interdisziplinäre Kooperationen z.B. mit Materialwissenschaftlern neue Fragestellungen zur Schädigung des Schotters oder mit Forschern im Bereich der Gesteinsherstellung oder der Schüttguthandhabung granularer Stoffe Möglichkeiten, an diesem spannenden Themengebiet weiterzuarbeiten. In diesem Bereich liegen die möglichen Anwendungen für die erarbeiteten Grundlagen.
Publications
- System Dynamics and Long-Term Behaviour of Railway Vehicles, Track and Subgrade: Report on the DFG Priority Program in Germany and Subsequent Research. Vehicle System Dynamics, Vol. 43, No. 6-7 (2005), S. 458-538.
K. Knothe, K. Popp, C. Pöpper
