trabajo n° 2 - 6° congreso de usos del acero ias

6a Conferencia sobre Usos del Acero | 6th Conference on Uses of Steel IAS, 2012, Rosario, Santa Fe, Argentina

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COMPARATIVE FEM SIMULATION OF DYNAMIC LOADS ON A TRAILER STRUCTURE MADE OF CARBON MANGANESE AND MICROALLOYED STEELS PRODUCED IN TERNIUM SIDERAR

Luis Arman (1) Silvio Alzari (2)

ABSTRACT Nowadays there are available steels of national manufactures that can be used in the field of transport and machinery to obtain less heavy structures without losing the own characteristics of use. The appropriate utilization of these steels needs controlled processes of design and manufacture. In the stages of design it is necessary to use tools of finite elements simulation . After the manufacture it is necessary to validate the designs by means of field tests. This methodology allows to assure that the structures should sustain the static and dynamic loads of service within the suitable limits of safety. This work presents a preliminary comparative study by means of modeling and 3D simulation to compare the behaviour of a chassis trailer manufactured with different steels submitted to dynamic loads and vibrations. The result is that it is possible to make the simulation weight less heavy using microalloyed steels of minimum yield strength 420 Mpa. Key words: finite elements, simulation 3D, microalloyed steels, weight less. (1) CENTRO DE SERVICIOS PARA EL DISEÑO DE PRODUCTOS INDUSTRIALES – PROYECTO BID/FOMIN-AGENCIA DAT, Esmeralda y Ocampo Rosario (2000) Pcia de Santa Fe, Argentina, Teléfono 0341 – 4851319, Fax 0341 – 4851286, [email protected] (2) TERNIUM SIDERAR, Planta San Nicolás, C.C. 801, Piso 2 (2900) Pcia. De Buenos Aires, Argentina, Teléfono 0336- 438090, Fax 0336 – 438099, [email protected]


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SIMULACIÓN COMPARATIVA POR ELEMENTOS FINITOS DE CARGAS DINÁMICAS SOBRE UNA ESTRUCTURA DE ACOPLADO

FABRICADA CON ACERO AL CARBONO MANGANESO Y CON ACERO MICROALEADO PRODUCIDOS EN TERNIUM SIDERAR.

Luis Arman (1) Silvio Alzari (2)

RESUMEN Actualmente hay disponibles aceros de fabricación nacional que pueden utilizarse en el sector del transporte y maquinarias para obtener estructuras más livianas sin perder prestaciones. La utilización apropiada de estos aceros requiere procesos de diseño y fabricación controlados. En las etapas de diseño es necesario utilizar herramientas de simulación por elementos finitos. Posteriormente a la fabricación es necesario validar los diseños realizando ensayos de campo. Esta metodología permite asegurar que las estructuras sustenten las cargas estáticas y dinámicas de servicio dentro de los límites de seguridad adecuados. Este trabajo presenta un estudio comparativo inicial que utiliza modelado y simulación 3D para comparar el comportamiento frente a cargas dinámicas y vibraciones de un chasis de acoplado construido con aceros diferentes. Se concluye que es posible disminuir el peso del acoplado utilizando aceros microaleados de 420 MPa de fluencia mínima. Palabras clave: elementos finitos, simulación 3D, aceros microaleados, disminuir el peso. INTRODUCCIÓN La contribución del transporte a las emisiones de CO2 ha crecido sostenidamente en los últimos 20 años. Una parte importante de esa contribución puede atribuirse al transporte por carretera con vehículos pesados. Durante años, el aumento de vehículos comerciales ha sido superior a la media de crecimiento en vehículos de carretera y esta tendencia continuará. Se espera que hasta 2020, el transporte de mercancías por carretera duplique su tamaño. Esto es debido al creciente nivel de vida y de la globalización. Además por problemas relativos a la accesibilidad, movilidad, congestión y cuestiones ambientales han aumentado los costos del transporte (peaje, impuestos, cuidado del medio ambiente, etc. han motivado estos costos). Esto significa una presión creciente para el futuro del sector del transporte con innovadoras soluciones sostenibles para reducir el combustible en proporción a la carga y por lo tanto también reducir la proporción del costo de transporte en relación a capacidad de carga. Un factor importante en este debate es el peso del propio vehículo. La reducción de tara significa una mayor carga para los mismos costos de combustible, lo que contribuye a la reducción global del CO2, y que ofrece a la empresa de transporte y al fabricante del vehículo una ventaja competitiva. Otra opción es agrandar el tamaño del vehículo, dependiendo de las limitaciones infraestructurales que permita la normativa. Pero también entonces, optimizando el peso total (es decir, de menor peso propio) es beneficioso, tanto para el medio ambiente como para la industria del transporte y el fabricante del vehículo. (1) CENTRO DE SERVICIOS PARA EL DISEÑO DE PRODUCTOS INDUSTRIALES – PROYECTO BID/FOMIN-AGENCIA DAT, Esmeralda y Ocampo Rosario (2000) Pcia de Santa Fe, Argentina, Teléfono 0341 – 4851319, Fax 0341 – 4851286, [email protected] (2) TERNIUM SIDERAR, Planta San Nicolás, C.C. 801, Piso 2 (2900) Pcia. De Buenos Aires, Argentina, Teléfono 0336- 438090, Fax 0336 – 438099, [email protected]


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En la Argentina el transporte de mercancías es realizado mayoritariamente en camiones. El cereal, el combustible y diversos productos de manufactura industrial se trasladan en camiones desde sus centros de producción hasta puertos, centros de distribución y puntos de ventas finales. El costo del transporte incide en el precio final de los productos mencionados, y crece en directa proporción con la distancia entre centro de producción y distribución/venta final. A pesar de que esta situación está presente en Argentina y se ha agravado desde la desarticulación del ferrocarril en 1992, todavía el mercado de semis y acoplados emplea aceros de resistencia media en espesores entre 6.35 y 12.7 mm con YS (Yield Stength) < 300 Mpa y UTS (Ultimate Tensile Strength) < 400 MPa). En consecuencia, los pesos de tara de estas unidades son elevados. Reducir la tara y simultáneamente aumentar la capacidad de carga requiere utilizar materiales de mayor tensión de fluencia y menor o igual densidad que estén disponibles en nuestro país a un costo adecuado para este sector industrial. Las aleaciones de Aluminio y/o Titanio tienen mayor costo que los aceros. En consecuencia, el material adecuado para utilizar es el acero de alta resistencia (400 Mpa < YS < 900 MPa). En este trabajo se modeliza el diseño de una estructura de acoplado utilizando dos aceros diferentes (SAE 1010 y SID MLC 420). Se realizan simulaciones de cargas estáticas y dinámicas mediante elementos finitos (FEM), y se compara el comportamiento de la estructura en función de los aceros y espesores empleados. Se demuestra que es posible reducir el peso de tara utilizando un acero SID MLC 420 de fabricación nacional. Clasificación y características de aceros de media y alta resistencia La Figura 1 presenta una de las formas usuales para clasificar aceros que se utilizan en la fabricación de estructuras mecánicas [1]. La clasificación se realiza en base a la Resistencia a la Rotura (UTS: Ultimate Tensile Strength) y a la Elongación a Rotura (El(%): Total Elongation). La elongación da una estimación sobre la capacidad para conformado en frío. La UTS da una estimación de la capacidad para soportar cargas. Adicionalmente, cada familia de acero se clasifica con una combinación de letras que distinguen elementos mayoritarios de su composición química y/o su microestructura característica. En general, Mild refiere a aceros dulces de bajo carbono y manganeso (%C < 0.10 y %Mn < 0.40), CMn refiere a aceros de bajo carbono y manganeso (0.06 < %C < 0.25, 0.20 < %Mn < 0.70), y HSLA refiere a aceros de bajo carbono con manganeso y microaleantes como Titanio, Niobio y Vanadio. DP refiere a aceros cuya microestructura es una mezcla de fases Ferrita y Martensita. CP refiere a aceros cuya microestructura es una mezcla de fases complejas como Martensita, Austenita retenida y Perlita en una matriz Bainita/Ferrita. MS refiere a aceros de matríz Martensítica, y TRIP refiere a aceros cuya microsetructura consiste en Ferrita, Bainita, Martensita y una cantidad significativa de Austenita retenida. Los aceros libres de insterticiales (IF, IF-HS, BH) son utilizados en la industria automotríz para piezas que requieren baja resistencia y alta conformabilidad en frío. Los aceros TRIP se utilizan en pocas piezas estructurales y de refuerzo que conforman las carrocerías de autos de última generación. En nuestro país, para la fabricación de estructuras mecánicas en mercados de transporte y maquinaria se utilizan mayoritariamente aceros Mild y CMn (círculos rojos), y aceros HSLA, CP y MS en muy baja proporción y para aplicaciones muy particulares. La industria automotríz utiliza aceros CMn y HSLA de fabricación nacional que se ubican dentro del círculo azul de la Figura 1. Adicionalmente, para aplicaciones especiales se utilizan aceros importados DP, CP y los HSLA que se ubican dentro del círculo verde de la figura 1. Las Figuras 2, 3 y 4 presentan gráficos de tensión deformación ingenieril de aceros HSLA, DP y CP en comparación de un acero dulce (Mild/CMn). Como referencia, la curva presentada en azul es típica de aceros SAE 1006/1008/1010 laminados en caliente (pueden presentar tensión de fluencia mayor en función del enfriamiento final antes del bobinado). Los aceros HSLA permiten niveles superiores de tensión de fluencia y resistencia a la rotura con elongaciones adecuadas para procesos de conformado en frío. Por ejemplo, en la Figura 2 el acero HSLA 420/480 presenta 25% de elongación a rotura frente a valores inferiores a 15% presentados por los aceros DP 500/800 y CP 650/800 (Figuras 3 y 4 respectivamente). Otras propiedades a considerar para el diseño mecánico son la tenacidad al impacto (Charpy), resistencia a la fatiga y soldabilidad. Estas propiedades en general son superiores en un acero HSLA respecto de un CMn de similares YS, UTS y El. La resistencia a la fatiga de alto ciclo es buena y la tenacidad al impacto adecuada incluso a bajas temperaturas. La soldabilidad de los aceros DP, CP como los HSLA de UTS > 650 MPa requiere mayor control de proceso y procedimientos estrictos para evitar problemas de fisuración o fragilización. Soldabilidad, resistencia a la fatiga y tenacidad al impacto son propiedades que dependen de la composición química, calor aportado y enfriamiento durante la soldadura, y de microestructuras y tensiones o impactos externos actuantes.


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Fig. 1. Clasificación de aceros de acuerdo a su resistencia mecánica y elongación a rotura. Fig. 1. Classification of steels according to their mechanical strength and elongation at break.

Fig. 2. Tensión-Deformación ingenieril para aceros microaleados (HSLA) vs. Acero CMn (Mild Steel) Fig. 2. Engineering stress-strain for steels microalloyed (HSLA) vs. Steel CMn (Mild Steel).

Fig. 3. Tensión-Deformación ingenieril para aceros Fase Dual (DP) vs. Acero CMn (Mild Steel) Fig. 3. Engineering stress-strain for steels Dual phase (DP) vs. Steel CMn (Mild Steel).

Fig. 4. Tensión-Deformación ingenieril para aceros de fase compleja (CP) vs. Acero CMn (Mild Steel) Fig. 4. Engineering stress for steels of complex phase (CP) vs. Steel CMn (Mild Steel).

Diseño mecánico Para el diseño mecánico es necesario estimar las cargas que deberá soportar la estructura en su uso final y considerar otros aspectos que pueden influir en la integridad estructural, como el medioambiente de trabajo y sus variaciones, el tipo de acero, las formas de las secciones resistentes, los tipos de uniones entre componentes que forman la estructura, los modos normales de vibración, etc... La Figura 5 muestra las cargas y las tensiones inducidas en un componente estructural de sección U. Estos diagramas simples ilustran al lector los estados de tensiones en función de la carga y su orientación. La Figura 6 muestra un chasis construido con perfiles largos de sección U unidos por perfiles cortos de sección tipo Ω. Este tipo de configuración se utiliza para obtener la rigidez y resistencia a la torsión adecuadas de la estructura. Por otro lado, la Figura 7 muestra un diagrama que permite estimar la potencialidad en la reducción de peso de un componente estructural en función del acero empleado y la forma de la sección en función de cargas de flexión, torsión, tracción y compresión. Este diagrama muestra que en componentes simples es potencialmente posible reducir entre un 22 y 62% el peso del mismo eligiendo correctamente el material y la forma de la sección según el tipo de carga. Debido a que las estructuras mecánicas se construyen combinando y uniendo perfiles, vigas y refuerzos para soportar cargas de distribución compleja, obtener un diseño estructural robusto de peso mínimo requiere utilizar técnicas de diseño modernas. La modelización CAD y la simulación por elementos finitos (FEM) son en consecuencia herramientas necesarias en las primeras etapas del diseño. En síntesis, el proceso de desarrollo de estructuras mecánicas robustas y de costo competitivo requiere emplear modelización CAD, simulación por FEM, y verificación del comportamiento mecánico de un prototipo sujeto a las condiciones más extremas que impone el uso final.


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Fig. 5. Tipos de carga y tensiones inducidas en una sección U normalmente utilizada en chasis de semirremolques y acoplados. a) Carga vertical, b) Carga lateral, c) Carga lateral sobre sección con agujero. [2] Fig. 5 Types of load and induced stress in a section U typically used in chassis of semi-trailers and trailers. a)vertical loading, (b) side loading, (c) side loading on section with hole. [2]

Fig. 6. Chasis con secciones U largas unidas a refuerzos transversales abiertas tipo Ω utilizadas para contrarrestar la torsión y dar rigidez al chasis [2], [3]. Fig. 6 Chassis with sections U long together with ross reinforcements open type Ω used to counteract the torque and give rigidity to the chassis [2], [3].

Fig. 7. Reducción potencial de peso en función del la tensión de fluencia del acero y la correcta elección de la forma de la sección respecto de la solicitación de carga [2]. σy=YS (tensión de fluencia). M: momento de fuerza (carga de flexión o torsión). Fig. 7 Potential weight reduction depending on the yield strength of steel and the correct choice of the shape of the section to load [2] solicitation. σy=YS (yield strength). M: torque (twisting or bending load).

Estudio comparativo de chasis de acoplado de similares dimensiones y prestaciones utilizando chapa de acero SAE 1010 y SID MLC 420. Se trata de un acoplado playo de carga general para ser utilizado en rutas Argentinas, en el que el piso apoya sobre las alas superiores de los largueros principales de un chasis tipo escalera de 1.100 mm. de ancho x 5.500 mm. de largo. Los largueros principales en su parte delantera tienen la altura reducida para permitir el giro del avantrén de aro giratorio a bolitas. Como suspensión posee sistema de ballestas de acero, 2 en el tren delantero y 2 en el eje trasero. En la figura 8 se muestra una vista inferior del citado chasis modelado en SolidWorks 2012 [4].

a) b)c)a) b)c)


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Fig. 8 . Chasis. Fig. 8. Chassis.

Están construidos exactamente con los mismos procesos productivos y que son los que cuentan la totalidad de las empresas metalúrgicas Argentinas que se dedican a la fabricación de este tipo de productos. En la tabla II se muestran las propiedades de los aceros a comparar.

Tabla 1: Propiedades de los aceros

Table 1: Propertiesof Steels Determinación de las condiciones de contorno: Incidencia del estado de los caminos en la carga dinámica: Es evidente que la principal fuente generadora de vibraciones verticales en vehículos por carretera, puede ser atribuida al mal estado de la superficie de las rutas. Cuando los vehículos con ruedas atraviesan superficies irregulares, la interacción entre el vehículo y el terreno da lugar a un proceso dinámico que produce complejas fuerzas y movimientos dentro del vehículo. Debido a que las irregularidades del pavimento son generalmente aleatorias por naturaleza, las vibraciones resultantes en el vehículo también lo son. Además, los niveles de vibración no son únicamente dependientes de la rugosidad del pavimento, sino que son también función del tipo de vehículo, suspensión, el nivel de carga y la velocidad del mismo. El efecto de estos parámetros suele hacer difícil, el predecir y caracterizar, las complejas interacciones mecánicas que existen entre el vehículo y la superficie de la carretera. Las figuras 9, 10 y 11 muestran perfiles típicos de rugosidad en carreteras de buena, media y baja calidad respectivamente.

Fig. 9. Carretera de buena calidad. Fig. 9. Road of good quality.

Fig. 10. Carretera de mediana calidad.

Fig. 10. Road of mean quality.


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Fig. 11. Carretera de pobre calidad.

Fig. 11. Road of poor quality.

La figura 12 muestra Especificaciones para la simulación aleatoria de vibraciones verticales para varias suspensiones (elásticos y aire) y cargas (completo o semicargado) con los distintos valores de Grms (aceleración eficaz referida a la gravedad) resultantes - reproducida de la norma ASTM D4728, 2001[5].

Fig. 12. Especificación ASTM D 4728 - 2001

Fig. 12. Specification ASTM 4728 – 2001

La figura 13 grafica los niveles de PSD (Power Spectral Density-Densidad Espectral de Potencia) con respecto a cada frecuencia de la ruta Buenos Aires - Salta en 2 niveles: el primero SIGNAL en azul que corresponde a los sucesos de interacciones (pozo, loma, irregularidad) y el segundo TIMER que corresponde a registros a intervalos de tiempo constante; de un acoplado de características similares a los que vamos a verificar, en un Estudio realizado por el INTI (Instituto Nacional de Tecnología Industrial) – Envases y Embalajes para la simulación de los productos que desarrollan. Estos datos nos servirán para incrementar la carga estática con el valor pico del promedio Grms TIMER aplicada como carga dinámica eficaz en las simulaciones para verificar Tensiones y Desplazamientos.


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Fig. 13. PSD vs. Frecuencia. Fig. 13. PSD vs. Frecuency.

Valor Grms SIGNAL: 0,619 G , valor Pico SIGNAL 0,875 G Valor Grms TIMER: 0,244 G , valor Pico TIMER 0,345 G

La tabla 2 indica PSD - Densidad Espectral de Potencia indicativa para transporte carretero en la República Argentina para 3 niveles de irregularidades y en cada uno la aceleración efectiva en Grms como dato para ponderar el nivel de sobrecarga a estimar en el cálculo.

Tabla 2: Niveles PSD Argentina. Table 2: PSD levels Argentine.


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Sujeciones: El modelo se sujetará de acuerdo a la realidad como se observa en la figura 14 con: A) en el frente en el aro giratorio con una bisagra fija, B) en los pernos de elástico con unión fija y C) en los patines de elástico con unión deslizante

Fig. 14. Sujeciones. Fig. 14. Anchors.

Carga: La carga está uniformemente repartida en la superficie de las alas superiores de los largueros y en forma estática tiene un valor de 7.500 kg por ala o sea el acoplado se simulará para una carga de 15.000 kg más la carga propia y a esto le sumaremos un 34,5% propio del valor pico del Grms correspondiente a la Ruta Bs. As. - Salta lo que nos da un total de 21.000 kg colocados en 10.500 kg. por ala. Resultado de los estudios La figura 15 muestra las tensiones superiores a 1.350 kg/cm2 como límite admisible (se toma un coeficiente de seguridad de 1,5 respecto a YS [6]) para el acero SAE 1010, verificando todos las piezas de chapa.La figura 16 muestra los desplazamientos cuando la carga es aplicada al chasis de acero SAE 1010 y que alcanza un valor de 6,4 mm. en el tercio medio de su longitud.

Fig. 15. Tensiones SAE 1010. Fig. 16. Deformación SAE 1010. Fig. 15. Stress SAE 1010. Fig. 16. Strain SAE 1010

La figura 17 muestra las tensiones superiores a 2.800 kg/cm2 como límite admisible (se toma un coeficiente de seguridad de 1,5 respecto a YS [6]) para el acero SID MLC 420, verificando todos las piezas de chapa. La figura 18 muestra los desplazamientos cuando la carga es aplicada al chasis de acero SID MLC 420 y que alcanza un valor de 12,6 mm. en el tercio medio de su longitud.

A

C

B


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Fig. 17. Tensiones SID MLC 420. Fig. 18. Deformación SID MLC 420. Fig. 17. Stress SID MLC 420. Fig. 18. Strain DID MLC 420.

Reducción de peso La tabla 3 muestra los valores alcanzados de reducción de peso en el acero SID MLC 420 alcanzando un 35,2% en el total del chasis

Tabla 3: Reducción de peso. Table 3: Weight reduction..

Estudios de vibración Se analizan los 2 modelos con estudios de vibración para determinar las frecuencias naturales con las condiciones de sujeción de acuerdo a como van a trabajar y se presta especial atención al modo que se desplaza en el sentido de la carga (en amarillo) Dirección Y. La tabla 4 muestra que el chasis de acero SAE 1010 lo hace a 66,3 Hz con una participación de masa del 28,6% - figura 19 - y en la tabla 5 muestra que el chasis de acero SID MLC 420 lo hace a 61,8 Hz. Con una participación de masa del 27,4% - figura 20.

Nº de modo Frecuencia (Hertz) Dirección X Dirección Y Dirección Z1 19,458 4,41E‐05 1,43E‐06 0,0606152 22,718 2,27E‐05 9,12E‐08 0,396393 48,638 2,51E‐05 0,00031148 0,0157414 66,342 0,0020372 0,28575 2,70E‐055 75,281 0,00030621 0,022463 0,00039936 79,173 0,00025212 0,0033134 0,0015407 Suma X = 0.0026874 Suma Y = 0.31184 Suma Z = 0.47471

Tabla 4: Modos de vibración SAE 1010.

Table 4: Vibration modes SAE 1010.


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Nº de modo Frecuencia (Hertz) Dirección X Dirección Y Dirección Z1 16,786 3,13E‐05 1,28E‐07 0,000153842 20,231 8,82E‐08 1,79E‐08 0,438663 47,148 4,18E‐05 2,73E‐06 0,0168954 61,778 0,0014044 0,27365 6,56E‐065 73,646 4,09E‐06 4,83E‐05 6,80E‐056 76,377 0,00043863 0,00038034 0,00013217 Suma X = 0.0019203 Suma Y = 0.27408 Suma Z = 0.45591

Tabla 5: Modos de vibración SID MLC 420.

Table 5: Vibration modes SID MLC 420.

Fig. 19. Modo 4 SAE 1010. Fig. 20. Modo 4 SID MLC 420. Fig. 19. Mode 4 SAE 1010. Fig. 20. Mode 4 DID MLC 420.

Las frecuencias naturales que tienen desplazamientos en el sentido de la carga son parecidas, como así también su participación de masa, por lo tanto buscamos en la figura 13 la descomposición de Fourier correspondiente a 65 Hz y nos indica 0,00002 G2/Hz. El valor que tomaremos es el pico como amplitud y es de 0,0063 G = 0,062 m/s2 de aceleración. La carga equivalente pico que actúa en el sentido de la Dirección Y en la frecuencia de 65 Hz. es de 94,8 kg. que es bastante menor de los 15.500 kg (0,6%) de peso propio mas carga para ser considerado como suceso de fatiga. RESULTADOS / CONCLUSIÓN Se demuestra que es posible la reducción de tara con el acero SID MLC 420, y que es posible evaluar correctamente el diseño utilizando elementos finitos para lograr una reducción de peso con un buen comportamiento ante cargas estáticas y dinámicas acortando etapas de desarrollo. AGRADECIMIENTOS Msc Ing. Gerardo Franck – Facultad de Ciencias Hídricas – Universidad Nacional del Litoral. Ing. Pablo Andrés Maiorana - Coordinador Unidad Técnica Instituto Nacional de Tecnología Industrial – Centro Envases y Embalajes. REFERENCIAS

1- Advanced High Strength Steel (AHSS) application guidelines, Version 4.0, March 2009. www.worldautosteel.org

2- Scania recommendation for Builders.


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3- Hot Rolled HSLA Strip Steels For Automotive and Construction Application, J. Patel, C. Klinkenberg and K. Hulka, Niobium Products Company GmbH.

4- Manual SolidWorks Simulation 2012. 5- Norma ASTM D 4728 – 2001. 6- Calculo de Elementos de Maquina, Vallance – Doughtie, Editorial Alsina – 1959.

trabajo n° 2 - 6° congreso de usos del acero ias

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of design and

of design it

of steel ias

the result

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