Mehrstufige Topologieoptimierung zur strukturellen Neugestaltung von Motorlaufwerkrahmen im Schienenverkehr

Diese Studie stellt einen umfassenden Workflow zur strukturellen Optimierung eines Motorlaufwerkrahmens für den Schienenverkehr vor, der darauf abzielt, ein innovatives und leichtes Design zu entwickeln, das den europäischen Referenzstandards entspricht. Die Methodik integriert einen zweistufigen Topologieoptimierungsprozess, unterstützt durch eine umfangreiche numerische Simulationskampagne und eine dedizierte Sensitivitätsanalyse zur Identifikation der kritischsten Lastfälle. In der ersten Optimierungsphase zeigte eine globale Bewertung der Rahmenleistung, dass die Erhöhung der Anzahl der Optimierungsparameter zu einem Anstieg der Solver-Iterationen um etwa 50 % führt. Symmetrieeinschränkungen erwiesen sich als wesentlich zur Vereinfachung sowohl der Optimierung als auch der anschließenden geometrischen Rekonstruktion. Die minimal zulässige Merkmalsgröße beeinflusste die endgültige Lösung stark, veränderte die Materialverteilung und ermöglichte eine Massenreduktion von etwa 18 %. Die zweite Optimierungsphase, die sich auf die Querträger konzentrierte, hob die Bedeutung von Fertigungsbeschränkungen hervor, um den Solver zu praxisnahen Konfigurationen zu führen. Statische und Ermüdungsbewertungen bestätigten Spannungsverteilungen, die mit dem Originalrahmen übereinstimmen, was den Designern eine zuverlässige Grundlage für zukünftige Materialverbesserungen bietet. Abschließend zeigte die dynamische Analyse eine erste Eigenfrequenz über 60 Hz, mit Variationen des ersten Eigenwerts innerhalb von 1 % sowie Erhaltung der lokalen Biege-Modenform, was die vollständige Kompatibilität mit den Schnittstellen des Originalrahmens gewährleistet und einen nahtlosen Austausch durch die optimierte Konfiguration ermöglicht.