Lekkie konstrukcje pojazdów transportu publicznego ze stali nierdzewnej

Transkrypt

1

2 Lekkie konstrukcje pojazdów transportu publicznego ze stali nierdzewnej Nowatorskie zastosowania stali nierdzewnej w pojazdach transportowych INSAPTRANS 1

3 Plan prezentacji 1. Własności profili zamkniętych ze stali nierdzewnej podczas zderzenia crash testu Badania własności przy osiowym i bocznym uderzeniu Badanie ram podczas uderzenia i ich symulacja 2. Panele wielowarstwowe typu sandwich ze stali nierdzewnej Projektowanie paneli i ich wymiary Wytwarzanie paneli: spawane laserowo, klejone oraz wypełniane poliuretanem (PU) Badania paneli: próba zginania i crash test 3. Podsumowanie i wnioski 2

4 1. Własności profili zamkniętych ze stali nierdzewnej podczas zderzenia Cele: zbadanie zachowania podczas zderzenia / uderzenia Typowych elementów konstrukcji nadwozi autobusów W sytuacji zderzenia możliwość wystąpienia przeciążeń Porównanie różnych gatunków stali nierdzewnych Badania: Uderzenie osiowe Uderzenie boczne Uderzenie w ramę: 20 C i +5 C Dodatkowo (źródłowe projekty AUTOBUSÓW określają): Boczne uderzenie młota spadowego: profile SHS (profil zamknięty kwadratowy) i inne profile Symulacje podczas zderzenia i dachowania 3

5 Osiowe i boczne uderzenie: warunki prób doświadczalnych Profil SHS ,5 mm, pozioma kolumna do crash testu Do porównania między materiałami zastosowano wartość obciążeń średnich średnia wartość obciążeń podczas całego uderzenia, wyższa = tym lepiej Energia uderzenia 7,5 8,7 m/s Profile mocowane przez szczęki zaciskowe F docisku F docisku F docisku Powierzchnia przyłożenia siły - uderzenia F docisku Energia uderzenia 1 3,0 m/s Stanowisko do 3-punktowego zginania Przemieszczenie górnej i dolnej powierzchni 340 mm Wgłębnik wraz z uderzającą masą Prędkość ø 50 mm 4 Badana próbka

6 Osiowe i boczne uderzenie: wyniki badań SP Materiał Material Średnie Mean obciążenie axial load (kn) osiowe and (kn) i przemieszczenie displacement (cm) (cm) Średnie Mean side obciążenie impact load uderzenia (kn) bocznego (kn) Obciążenie Axial osiowe load Długość Axial osiowego crash length zniszczenia Side impact load Obciążenie uderzenia bocznego

7 Badanie ram podczas uderzenia: warunki prób doświadczalnych Modele ram pomocniczej autobusu z profili SHS, ,5 mm , , 304 SP, 16-7 Mn, galwanizowana St37 Ramy spawane łukiem plazmowym, drutem proszkowym Pozioma kolumna to crash testu, energia uderzenia 5,1 5,7 m/s cylinder odbojowy ø 230 mm na przedzie zderzaka badanie w 20 C i +5 C 6

8 Badanie ram podczas uderzenia : wyniki badań J Miejsce B G K A F +5 C 304SP 16-7Mn St37 E C H Ugięcie A, C, E M -20 C 304SP 16-7Mn St37 D I L Ugięcie elementów bocznych +5 C 304SP 16-7Mn St37 J, M, K, L -20 C 304SP 16-7Mn St37 Odkształcenie słupków pionowych +5 C 304SP 16-7Mn St37 B, D -20 C 304SP Mn St37 Średnia całkowita długość pęknięcia linie spawów +5 C Mn 304SP St37-20 C SP 16-7Mn St

9 Symulacja uderzenia w ramę Modele ramy pomocniczej autobusu z profili SHS, ,5mm Sztywny wgłębnik walcowy ø m/s , CMn300 dla porównania także z t = 2 mm 15% spadek odkształcenia plastycznego 8

10 Symulacja uderzenia w ramę: wyniki Porównania wyników symulacji z wynikami badań doświadczalnych: Średnie ugięcie wykrzywionych elementów A, C i E Średnie ugięcie elementów bocznych J, K, L i M Średnie odkształcenie słupków pionowych B i D Symulacja CSM 247 mm 203 mm 33 mm +5 C 260 mm 225 mm 33 mm -20 C 210 mm 170 mm 37 mm Średnie odkształcenie słupków pionowych jest niższe w symulacji Ściegi spoin wykazują wyższą odporność na uderzenie (nie brane pod uwagę w symulacjach)? Symulacja dostarcza możliwą do przyjęcia (wystarczającą?) dokładność 9 Badania doświadczalne TNO

11 2. Panele wielowarstwowe typu sandwich ze stali nierdzewnej Wprowadzenie: Zapotrzebowanie na rozwój lekkich konstrukcji przeznaczonych dla transportu ciężkiego Rozwój całkowicie metalowych paneli typu sandwich w szczególności przeznaczonych do budowy statków Zastosowanie stali nierdzewnych w konstrukcjach autobusów Cele Opracowanie technologii wytwarzania i metod projektowania lekkich konstrukcji z paneli typu sandwich ze stali nierdzewnych Przedstawienie własności jakie posiadają panele oraz korzyści płynących z ich zastosowania 10

12 Typy paneli wielowarstwowych rdzeń typu V rdzeń typu V f rdzeń typu I rdzeń typu O Sztywność w obu kierunkach Rdzeń formowany przez profilowanie rolkowe: OK Rdzeń kształtowany przez gięcie: tolerancje! Lekka konstrukcja, sztywność poprzeczna Rdzeń walcowany lub gięty Zazwyczaj najlżejsza konstrukcja Sztywność poprzeczna? Trudne wytwarzanie zoptymalizowanego panelu Różnice w sztywności: 11 Wzdłużnie OK, poprzecznie nie OK Ograniczona optymalizacja rdzenia

13 Wytwarzanie paneli wielowarstwowych typu sandwich Panele stropowe ze stali nierdzewnej (DOLTRAC) 12

14 Materiały na panele wielowarstwowe typu sandwich Punk początkowy: istniejące materiały Własności stali z walcowaniem wygładzającym dla kształtowników i paneli W porównaniu do stali: 304SP (Mn&S + Mo&N = odporność na korozję wżerową ) EN - typ 304SP Materiał Materiał ASTM 304SP 301LN 301LN stan 2B C850 C1000 Producent Acerinox Outokumpu Ocas/Arcelor Producent Acerinox Outokumpu Ocas/Arcelor C 0,05 0,025 0,025 grubość (mm) 1,0 1,0 1,5 1,2 1,9 N 0,010 0,120 0,102 R p0.2 (N/mm 2 ) Skład chemiczny (w-%) Cr 18,21 17,50 17,36 R p1.0 (N/mm 2 ) Ni 8,33 6,80 6,63 R m Mn 0,21 1,21 1,66 (N/mm 2 ) Mo 0,75-0,19 A 50 (%) 51 (A 80 ) (A 80 ) 25 13

15 Projektowanie panelu typy sandwich i ich wymiary Waga panel panelu weight (kg/m 2 ) 2 ) Projektowanie panelu za pomocą dostosowanego do własnych potrzeb oprogramowania ESAComp Warunki obciążenia podczas projektowania wg Siemens: 480 kg/m 2 + 1,5 kn Dwie iteracje, kryteria: waga i max. przemieszczenie L/ Rdzeń Vf-Core typu Vf typu O-Core O V-Core typu V Typ panel panelu type waga weight 1.0/1.2 1,0/1,2 waga weight 1.0/1.5 1,0/1,5 waga weight opt. przem. displ. 1.0/1.0 1,0/1,0 przem. displ. 1.0/1.5 1,0/1,5 przem. displ. opt. opt Przemieszczenie displacement (mm) Płyta wierzchnia (mm) 14 O V f V C1000 1,9 1,9 1,9 Rdzeń (mm) geometry SP 1,0 1,0 1,0 C850 1,0 1,0 - Płyta spodnia (mm) Typ panelu C1000 1,2 1,2 1,2 C850 1,5 1,5 -

16 Wytwarzanie paneli wielowarstwowych typu sandwich Ogółem 40 sztuk paneli o wymiarach 1,25 2,2 m 2 wykonanych z zastosowaniem spawania laserowego Opcje do porównania: Panele punktowo zgrzewane laserowo Panele sklejane Własności w porównaniu do paneli spawanych? Płaskość powierzchni i wygląd zewnętrzny? Panele wypełniane pianką poliuretanową Własności izolacyjne? Wpływ na własności? 15

17 Harmonogram badań paneli Próby zginania Obciążenie obliczeniowe 1,25 2,2 m 2, statyczne 480 kg/m 2 + 1,5 kn, s max L/300 Obciążenie za pomocą układu pneumatycznego (różnicą ciśnienia atmosferycznego) Wszystkie panele przeszły badania pozytywnie 4-punktowe zginanie 1,25 2,2 m 2, statyczne 3-punktowe zginanie 0,5 1,0 m 2, statyczne 3-punktowe zginanie 0,5 1,0 m 2, zmęczeniowe Badania podczas zderzenia - crash test Obciążenie dynamiczne = uderzenie ~ (0,2 0,42) 1,8 m 2 Poprzecznie i wzdłużnie 16

18 Próba cztero-punktowego zginania: warunki prób doświadczalnych 17

19 Próba cztero-punktowego zginania: wyniki badań Nr panelu O-1-2 O-1-4 O-2-2 O-2-5 O-3-2 O-3-4 O-4-1 O-4-5 V f -1-3 V f -1-5 V f -2-2 V f -2-5 V f -3-1 V f -3-3 V f -3-4 V f -4-0 V f -4-1 mat. rdzenia C SP 2B C SP 2B C SP 2B C SP 2B t c (mm) 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 mat. wierzch. C1000 C1000 C1000 C1000 C1000 C1000 C1000 C1000 t 1 (mm) 1,9 1,9 1,9 1,9 1,9 1,9 1,9 1,9 mat. spod. C1000 C1000 C850 C850 C1000 C1000 C850 C850 t 2 (mm) 1,2 1,2 1,5 1,5 1,2 1,2 1,5 1,5 spoina ciągła. punkt. ciągła. punkt ciągła. Punkt ciągła. punkt ciągła. punkt ciągła. punkt ciągła. pianka ciągła. klej. ciągła. σ L/300 (kn/m 2 ) σ max (kn/m 2 ) s max (mm)

20 Próba cztero-punktowego zginania: wyniki badań Płyta spodnia 1,5 mm C850, spoina ciągła spawana laserowo Naprężenie Stress (kn/m (kn/m 2 ) 2 ) Przemieszczenie Displacement (mm) (mm) 219 Typu Vf-core klejony adhesive 218 Typu Vf-core spaw. laser laser w.foam wyp. pianka Typu Vf-core spaw. laser laser Typu O-core O spaw. laser laser 19

21 Próba trzy-punktowego zginania Porównanie różnych typów paneli Dane wejściowe do badań zmęczeniowych Naprężenie Stress (kn/m (kn/m 2 ) 2 ) Sztywność paneli typu O longitudinal wzdłużny transverse poprzeczny Przemieszczenie Displacement (mm) (mm)

22 Próba trzy-punktowego zginania: wyniki badań Porównanie różnych typów paneli badanie w kierunku wzdłużnym Naprężenie Stress (kn/m (kn/m 2 ) 2 ) kn/m 2 / 33.4 kg/m kn/m 2 / 36.4 kg/m kn/m 2 / 36.6 kg/m Przemieszczenie Displacement (mm) O-3-0 Vf-4-3 V-core typu V 21

23 Wyniki badań zmęczeniowych Kryterium: 7,5 kn/m 2 ± 1,5 kn/m 2 dla 10 7 cykli Wszystkie badane panele spełniły założone kryterium typu O i V f : 1, kn/m 2 ± obciążenie 20 % panel O-2-3 O-4-2 O-4-3A O-4-3B V-2-1 V f -4-3 V f -4-2 V f -4-3B V f -4-2B rdzeń wzdłuż. wzdłuż. wzdłuż. wzdłuż. wzdłuż. wzdłuż. wzdłuż. wzdłuż. wzdłuż. σ (kn/m 2 ) 7,5 ± 1,5 63 ± ± ± 38 7,5 ± 1,5 7,5 ± 1,5 63 ± ± ± 20 (Hz) (mm) f N s 0,19 1,31 2,00 4,00 0,17 0,18 1,74 2,10 2,60 22

24 Crash test paneli Badania wstępne w quasi-statycznej próbie ściskania Badanie własności podczas wyboczenia Dane początkowe do crash testu Próbki paneli typu O i V f wzdłużne i poprzeczne, typu V tylko wzdłużne Próbki wzdłużne ( ) 1800 mm 2 Próbki poprzeczne ( ) 1200 mm 2 max ,5 m/s = 12 kj 23

25 Wyniki próby ściskania i crash testu paneli Quasi-statyczna próba ściskania O-core Vf-core Panel Typ panelu type and i kierunek direction Typ Panel panelu type Emax/w (J/mm) Emax Crash test Emax/w, /w, longitudinal wzdłużny (J/mm) O-core L Vf-core L O-core T Vf-core T 0.30 Emax/w, poprzeczny transverse (J/mm) Emax Emax /w (J/mm) 0.00

26 Wyniki crash testu Tylko niewielkie różnice w przypadku badań w kierunku wzdłużnym V O V f (E/w) Wszystkie panele wytrzymały ponieważ E max była zbyt mała! różne sposoby zniszczenia podczas crash testu i badań quasi-statycznych lokalne wyboczenie w porównaniu do całkowitego wyboczenia Wyraźne różnice w badaniach w kierunku poprzecznym (V f O) panele typu V f bardziej izotropowe 25

27 3. Podsumowanie i wnioski (1) Profile zamknięte przy osiowym i bocznym uderzeniu: Gatunki austenityczne wykazują lepsze własności przy uderzeniu osiowym w porównaniu do gatunków ferrytycznych Różnice między gatunkami austenitycznymi nawet większe niż między austenitycznymi / ferrytycznymi Rama z profili zamkniętych - badania własności podczas uderzenia / zderzenia Gatunki austenityczne lepsze niż ferrytyczne, lecz brak bardzo wysokiej różnicy gatunki CrMn wykazują obiecujące własności, stale węglowe niższe własności Symulacje dostarczają rzetelne wyniki o możliwej do zaakceptowania dokładności 26

28 3. Podsumowanie i wnioski (2) Projektowanie paneli: Znaczne zwiększenie wagi w porównaniu do przypadków zoptymalizowanych paneli Uwzględnienie metody produkcji, zastosowanego gatunku stali, etc. Istnieje dalsza możliwość zmniejszenia wagi! Wytwarzanie paneli: Trudności w wytwarzaniu dokładnych rdzeniu typu V kształtowanych przez gięcie Trudności w montażu z zastosowaniem spawania laserowego Profilowanie rolkowe w zależności od ilość/koszt Montaż z zastosowaniem klejenia i/lub wypełnienie pianką OK, ale: Studium wykonalności danej produkcji? Kwestie kosztów w zależności od ciężaru w produkcji? 27

29 3. Podsumowanie i wnioski (3) Wyniki prób zginania paneli: Wszystkie panele spełniły założone podczas projektowania kryterium obciążeń statycznych Panele klejone i wypełniane pianką porównywalne z całkowicie metalowymi panelami spawanymi laserowo Różnice we własnościach końcowych i/lub obciążeniu dynamicznym? Przewymiarowanie stało się oczywiste (σ L/300 vs. σ e vs. σ max ) Wszystkie panele spełniły kryteria badań zmęczeniowych Wyniki crash testu paneli: Widoczne różnice podczas warunków quasi-statycznych i sytuacji crash testu Badania w kierunku wzdłużnym: V O V f, jeżeli kryterium jest E/w E/(m/A)? panele klejone lub wypełnione pianką PU? wpływ materiałów? Zachowanie podczas crash testu z zastawaniem wyższej energii uderzenia? Badania w kierunku poprzecznym: V f O bardziej izotropowe 28

30 Dziękuję bardzo za uwagę! proszę także pamiętać o: Kyröläinen, A., Sánchez, R., Santacreu, P.-O., Picozzin, V. and Gales, A Stainless steels in bus contructions. Luxembourg, Office for Official Publications of the European Communities, Technical Steel Research, Special and Alloy Steels, Report EUR 20884, ISBN p. Gales, A., Sirén, M., Säynäjäkangas, J., Akdut, N., van Hoecke, D. and Sánchez, R Development of lightweight train and metro cars by using ultra high strength stainless steels. Office for Official Publications of the European Communities, Technical Steel Research, Report EUR 22837, ISBN p. 29