Reliability based analysis of the crosswind stability of railway vehicles [Elektronische Ressource] / vorgelegt von Antonio Carrarini

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• Publié par: technische_universitat_berlin
• Publié le: 01 janvier 2006
• Nombre de lectures: 22
• Langue: Deutsch
• Poids de l'ouvrage: 1 Mo

Extrait

Reliability based analysis of the crosswind
stability of railway vehicles
vorgelegt von
Antonio Carrarini
von der Fakult¨at V – Verkehrs- und Maschinensysteme
der Technischen Universit¨at Berlin
zur Erlangung des akademischen Grades
Doktor der Ingenieurwissenschaft (Dr.-Ing.)
genehmigte Dissertation
Promotionsausschuss:
Vorsitzender: Prof. Dr.rer.nat. V. Popov (TU Berlin)
Berichter: Prof. Dr.-Ing. M. Hecht (TU Berlin)
Prof. Dr.-Ing. C. Proppe (Universit¨at Karlsruhe TH)
Tag der wissenschaftlichen Aussprache: 24.3.06
Berlin 2006
D 83Danksagung
Diese Arbeit ist wahrend meiner Tatigkeit als wissenschaftlicher Mitarbeiter im Deut-¨ ¨
schen Zentrum fu¨r Luft- und Raumfahrt e.V. (DLR) in Oberpfaffenhofen entstanden.
Mein Dank geht also zunachst an den ehemaligen Abteilungsleiter Herrn Prof. Willi¨
Kortum, der leider kurz nach meiner Einstellung verstarb, und an Herrn Dr. Alfred¨
Jaschinski, der mit Hilfe von Herrn Prof. Martin Arnold die Abteilung in Abwesenheit
von Herrn Kortum leitete und mein Vorhaben unterstutzte. Besonders muss ich mich¨ ¨
bei Herrn Dr. Johann Bals bedanken, von dessen Abteilung die Gruppe Kortu¨m u¨ber-
nommen wurde; er forderte weiter das Vorhaben und schaffte die Bedingungen, um die¨
Arbeit fertig zu stellen.
Mein bester Dank geht dann an Herrn Prof. Markus Hecht von der TU-Berlin, der
als erster Gutachter die Promotion durch seine Engagement u¨berhaupt erm¨oglichte und
demThemagroßeAufmerksamkeitschenkte,undanHerrnProf.CarstenProppevonder
Universitat Karlsruhe, der das Koreferat ubernahm und mich mit vielen sehr wertvollen¨ ¨
Anregungen versorgt hat.
Schließlich muss ich mich bei den Mitarbeitern im DLR bedanken, von denen viele
inzwischen schon in der Industrie t¨atig sind, die mir fachlich und menschlich zur Seite
standen. Ich hoffe, selbst ein so angenehmer Kollege gewesen zu sein.
Fu¨r alle andere gilt einfach: grazie!
Mu¨nchen, M¨arz 2006
Diese Arbeit erscheint auch beim Shaker Verlag.
This work is also published by Shaker Verlag.
iiContents
Contents iii
Notation and abbreviations vi
Abstract ix
Zusammenfassung x
1 Introduction 1
1.1 Motivation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 Proposed approach . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.3 Aim of the work . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.4 State of the art . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.5 Structure of the work . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2 Crosswind stability 8
2.1 Crosswind stability proof . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.1.1 Overall framework . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.1.2 Risk analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.1.3 Reliability based approach . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
Parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
Risk analysis and risk assessment . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.2 Aerodynamics topics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.2.1 Railway aerodynamics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
Bluff bodies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
Aerodynamic loads . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
Steady aerodynamics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
Unsteady aerodynamics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
Nonhomogeneous flow . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.2.2 Wind . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
Steady wind . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
Unsteady wind . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
Ideal gusts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
Extreme winds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.2.3 Analysis tools . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
Experimental techniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
Numerical techniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
iii2.3 Driving dynamics topics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2.3.1 Definitions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
Wheel forces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
Criteria and indicators for crosswind stability . . . . . . . . . . . 28
2.3.2 Effects of aerodynamic loads on driving dynamics . . . . . . . . . 29
Steady phenomena . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
Unsteady phenomena . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2.3.3 Analysis tools . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
Multibody dynamics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
Other methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
2.4 Parametric uncertainty/variability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
2.4.1 Sources of uncertainty and variability . . . . . . . . . . . . . . . . 33
2.4.2 Models for uncertainty . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
2.4.3 Stochastic variables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
Dual representation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
3 Modelling and simulation 38
3.1 Vehicle model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
3.1.1 Mechanical model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
Multibody model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
Multibody model without W/R contact. . . . . . . . . . . . . . . 40
Linear model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
3.1.2 Aerodynamic model of the vehicle . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
Aerodynamic coefficients . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
Statistics of the aerodynamic coefficients . . . . . . . . . . . . . . 43
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
3.2 Environment model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
3.2.1 Track scenario . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
3.2.2 Aerodynamic model of the environment . . . . . . . . . . . . . . . 46
Gust shape . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
Gust amplitude (gust factor) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
Gust length (duration) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
Final crosswind scenario . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
3.3 Simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
4 Reliability evaluation 53
4.1 Basic concepts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
4.1.1 Probability of failure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
4.1.2 Limit state . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
4.1.3 Limit state for the crosswind stability . . . . . . . . . . . . . . . . 57
4.2 Evaluation of the probability of failure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
4.2.1 Semi-analytical techniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
Mean value . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
First order reliability method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
ivMPP locus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
4.2.2 Nonnormal and correlated variates . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
Rosenblatt transformation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
Rackwitz-Fiessler (R-F) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
Orthogonal transformation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
Comparison . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
4.2.3 Sampling based techniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
Monte Carlo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
Accuracy and variance reduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
4.2.4 Other tools . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
Metamodels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
Screening . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
4.2.5 Comparison of the methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
4.3 Probabilistic sensitivity analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
4.3.1 Reliability sensitivity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
FORM approach . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
Sampling based approach . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
4.3.2 Response sensitivity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
Uncertainty propagation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
Variance based sensitivity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
4.4 Optimisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
4.4.1 Optimisation and risk analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
4.4.2 Multiobjective optimisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
4.4.3 Reliability based optimisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
4.4.4 Robust crosswind stability