Las ventajas de utilizar acero inoxidable en estructuras de autobuses. Un estudio del proveedor Outokumpu con la Universidad de Munich

A continuación, una contribución de Stefan Schuberth, gerente de ventas de la línea de negocios automotriz, materiales avanzados, Outokumpu, Krefeld, Alemania; Prof. Dr.-Ing. Klemens Rother, Universidad de Ciencias Aplicadas, Munich, Alemania; Dr. Werner Pohl, FCMS GmbH, Múnich, Alemania. El fabricante de acero inoxidable Outokumpu ha llevado a cabo el primer proyecto de este tipo con el especialista en soluciones CAD/CAE FCMS, la Universidad de […]

A continuación, una contribución de Stefan Schuberth, gerente de ventas de la línea de negocios automotriz, materiales avanzados, Outokumpu, Krefeld, Alemania; Prof. Dr.-Ing. Klemens Rother, Universidad de Ciencias Aplicadas, Munich, Alemania; Dr. Werner Pohl, FCMS GmbH, Múnich, Alemania.

El fabricante de acero inoxidable Outokumpu ha llevado a cabo el primer proyecto de este tipo con el especialista en soluciones CAD/CAE FCMS, la Universidad de Ciencias Aplicadas de Munich y RotherCONSULT para investigar laventajas de utilizar acero inoxidable en estructuras de autobuses.

Los resultados muestran que el uso de acero inoxidable de alta resistencia para reemplazar los elementos tubulares de la estructura del autobús que normalmente se fabrican en acero al carbono podríareducir el peso hasta en un 35 %, más de 1000 kg– mientras se mantiene competitivo en costos.

Tradicionalmente, sobreEl 90 % de los buses son de acero al carbono . Sin embargo, el acero inoxidable ofrece una serie de ventajas tanto para los fabricantes como para los operadores de autobuses. En particular, su resistencia a la corrosión ofrece sostenibilidad, así como una reducción en el tiempo y costo de mantenimiento. Además, los grados de acero inoxidable de alta resistencia están disponibles comercialmente y ofrecen un enorme ahorro de peso. Esto se ilustra en el desarrollo virtual realizado por el equipo del proyecto.

Los materiales candidatos adecuados para una estructura de autobús tubular se muestran en la Figura 1. Generalmente, se utiliza acero al carbono de bajo costo, pero no resistente a la corrosión. Por lo general, el grado es S355, así como el S460 de mayor resistencia, y ambos nombres se refieren a su límite elástico mínimo. Los siguientes materiales en la lista son los aceros inoxidables de bajos niveles de resistencia. Por último, está la gama de aceros inoxidables de alta resistencia, incluido el dúplex pobre Forta LDX 2101, que tiene una alta resistencia a la corrosión. También está Forta H800 desarrollado por sus capacidades de alta resistencia, razón por la cual su resistencia a la corrosión parece baja para un acero inoxidable.

El proyecto se centró en evaluar los beneficios de peso y costo de Forta H800 frente al acero al carbono S460 que ofrece la comparación más desafiante para las estructuras de autobuses existentes. También se podría considerar que el grado S700 desarrollado recientemente ofrece un límite elástico comparable al Forta H800, pero con un alargamiento y un potencial de resistencia al impacto/absorción de impactos mucho menores.

Forta H800 es un acero inoxidable totalmente austenítico desarrollado para componentes estructurales de vehículos críticos para la seguridad. Abre nuevas oportunidades en la ingeniería y el diseño ligeros al combinar una resistencia ultraalta y una absorción de energía muy alta en caso de impacto. También tiene la ventaja de no contener níquel, lo que elimina la volatilidad de los precios asociada con los grados que dependen del níquel como elemento de aleación.

Una característica clave de Forta H800 es su mecanismo de fortalecimiento TWIP (Twinning Induced Plasticity) que hace que la estructura del material se endurezca continuamente cuando se somete a un impacto de choque.

Con Forta H800 identificado como un material alternativo adecuado, FCMS, la Universidad de Ciencias Aplicadas de Munich, RotherCONSULT y Outokumpu colaboraron para determinarcómo se podría utilizar mejor en estructuras de autobuses . Los objetivos principales eran examinar cómo el uso del acero inoxidable podría:

FCMS realizó el modelado paramétrico. La universidad realizó pruebas de fatiga en uniones tubulares soldadas de los dos materiales y RotherCONSULT desarrolló y compiló los requisitos del sistema, estrategias de análisis simplificadas y procedimientos para la calificación estructural. Outokumpu suministró los materiales, el conocimiento y los datos relacionados.

Para simular el rendimiento de la estructura del autobús se utilizó una combinación de herramientas, incluido el modelado de geometría paramétrica, así como métodos de análisis rápidos, automáticos y robustos. Se utilizó IA (inteligencia artificial) para generar automáticamente alternativas de diseño y sus modelos de simulación asociados. No habría sido factible realizar este trabajo manualmente, ya que requería la evaluación e iteración de miles de diseños.

En el corazón del enfoque estaba elModelador de concepto rápido (FCM) , una herramienta integrada en CATIA (aplicación interactiva tridimensional asistida por computadora), un paquete de software de diseño y desarrollo de productos. FCM funciona tanto con modelos conceptuales de tipo viga como con modelos sólidos y de caparazón detallados. Ofrece la capacidad de evaluar el impacto de los cambios en los perfiles, el grosor de las paredes y los materiales, así como los cambios en la topología, como la posición de los segmentos del marco y las uniones. Este último aspecto, que en última instancia daría como resultado un rediseño del bastidor del autobús, no formaba parte de este proyecto, pero ofrece el potencial para un mayor aligeramiento en futuros ejercicios de diseño.

El proyecto tenía como objetivo considerar cientos o incluso miles de alternativas de diseño. Esto requería métodos de análisis eficientes, para los cuales las idealizaciones de haz son muy adecuadas. Una vez que se identificó un concepto potencialmente viable, se usó el mallado de elementos de capa para validar su integridad estructural o para continuar el proceso de optimización con más atención a los detalles locales.

FCM se puede utilizar para extraer mallas de vigas y envolventes simultáneamente del mismo modelo CAD geométrico tridimensional, como se destaca en la Figura 2. También muestra el tiempo de análisis aproximado, con mallas de vigas alrededor de 1000 veces más rápidas que las mallas de envolventes para el análisis de choque sin una gran pérdida de precisión. Esto puede resultar en ahorros masivos de tiempo cuando los pasos deben repetirse muchas veces.

El proyecto de simulación se basó en un modelo de bus de referencia genérico como se muestra en la Figura 3. El diseño se basa en representaciones publicadas, pero pretende ser "típico", en lugar de representar un bus de cualquier fabricante en particular. Tiene una longitud de unos 14 metros con tres ejes, capaz de transportar 63 pasajeros y dos conductores, lo que da como resultado una masa total de 20.800 kg.

Para restringir el número de variables de diseño, los miembros del marco se colocaron en 13 grupos, como lo indican los diferentes colores en la Figura 3. Los elementos estructurales de cada grupo se analizaron simultáneamente para cada alternativa de diseño.

El modelo se analizó bajo los siguientes cuatro casos de carga, con los dos materiales estructurales alternativos de acero al carbono y acero inoxidable:

La Figura 4 muestra los resultados de las simulaciones de un gran número (miles) de experimentos.

El caso de referencia se basa en una estructura de marco puro hecha completamente de acero al carbono (S460) con un peso de 3.600 kg. Incluso en este caso, la optimización permitió un ahorro de peso útil de 116 kg. Con la sustitución completa del acero al carbono por acero inoxidable (Forta H800) se redujo en un tercio la masa de la estructura, ahorrando 1.193 kg. Un hallazgo clave de la simulación de vuelco fue que el grosor de la pared de la tubería se pudo reducir de 4 mm a 2 mm, lo que representa una gran parte del ahorro de peso.

Luego, el proyecto pasó a examinar una estrategia de optimización con una estructura híbrida con ambos tipos de acero. Se examinaron dos alternativas. La primera, y más obvia, fue usar Forta H800 para los principales mainframes. También fue interesante observar lo que sucede cuando los principales mainframes se construyen con S460.

La reducción de peso en comparación con el diseño exclusivo de S460 es muy significativa: 25 % si se usa S460 para los mainframes superiores y 35 %, cuando la mayor parte de la sección superior se crea en Forta H800. La reducción de peso potencial es de casi 1.300 kg.

Otro factor significativo es que el volumen de soldadura necesario para crear la estructura se reduce en más del 50 %. Lo que también es interesante es que hay una pequeña disminución en el centro de gravedad (COG), lo que es beneficioso para la dinámica de conducción.

La Figura 5 muestra el impacto en el costo de cambiar el material del marco. Dado que los costos relativos de diferentes aceros pueden variar con el tiempo y según las condiciones del mercado, se utilizaron tres factores para escalar el costo de Forta H800 en relación con S460: 2, 2,5 y 3 veces.

Incluso con un factor de 3, la reducción de peso significa que la estructura híbrida es comparable en costo a la estructura exclusiva del S460, mientras que con un factor de 2, el diseño híbrido representa una mejora del 18 % en los costos de materiales. En este análisis, solo se compararon los costos de materiales puros y no se tuvieron en cuenta aspectos adicionales como el diseño liviano y el consumo de energía durante la producción.

Se está trabajando para perfeccionar aún más el proceso de simulación. También hay margen para investigar más variables, como materiales, secciones transversales, espesores de pared y ubicaciones de unión. Esto permitiría entonces un rediseño completo de la estructura del autobús.

El efecto de las técnicas de fabricación es otro factor importante a considerar en trabajos futuros. Por ejemplo, el rendimiento de las uniones soldadas bajo carga de fatiga se puede mejorar considerablemente refinando el proceso de unión y desplazando la costura soldada lejos de las áreas más estresadas. Esto puede incluso ofrecer la posibilidad de reducir aún más la sección transversal o el espesor de la pared. Es probable que si se llevara a cabo la misma simulación detallada aquí para incluir procesos de unión refinados, entonces la diferencia entre las estructuras de acero al carbono y acero inoxidable sería aún más significativa.

La industria de autobuses y autocares tiene fama de ser muy tradicional en su enfoque y cautelosa a la hora de adoptar nuevos materiales. Sin embargo, la industria del transporte en general está bajo una presión cada vez mayor para descarbonizarse. Eso ahora está marcando el ritmo del cambio en términos de crear una nueva generación de vehículos adecuados para tracción puramente eléctrica o híbrida. La eficiencia energética será crucial para su éxito y eso requiere la adopción de nuevos métodos de construcción ligera.

Las simulaciones realizadas hasta la fecha han demostrado que el acero inoxidable ofrece un potencial significativo para lograr ahorros sustanciales en el peso del vehículo, sin pérdida de rendimiento.

El proyecto también ha demostrado que el mejor uso del acero inoxidable puede ser como parte de una estructura de bastidor de autobús híbrido que ofrece ventajas de peso y costo.