Les avantages de l'utilisation de l'acier inoxydable dans les structures de bus. Une étude du fournisseur Outokumpu avec l'Université de Munich

Ci-dessous, une contribution de Stefan Schuberth, Sales Manager Automotive Business Line, Advanced Materials, Outokumpu, Krefeld, Allemagne ; Prof. Dr.-Ing. Klemens Rother, Université des Sciences Appliquées, Munich, Allemagne ; Dr Werner Pohl, FCMS GmbH, Munich, Allemagne. Le fabricant d'acier inoxydable Outokumpu a réalisé un projet unique en son genre avec le spécialiste des solutions CAO/IAO FCMS, l'Université de […]

Ci-dessous, une contribution de Stefan Schuberth, Sales Manager Automotive Business Line, Advanced Materials, Outokumpu, Krefeld, Allemagne ; Prof. Dr.-Ing. Klemens Rother, Université des Sciences Appliquées, Munich, Allemagne ; Dr Werner Pohl, FCMS GmbH, Munich, Allemagne.

Le fabricant d'acier inoxydable Outokumpu a réalisé un projet unique en son genre avec le spécialiste des solutions CAO/IAO FCMS, l'Université des sciences appliquées de Munich et RotherCONSULT pour étudier laavantages de l'utilisation de l'acier inoxydable dans les structures de bus.

Les résultats montrent que l'utilisation d'acier inoxydable à haute résistance pour remplacer les éléments de châssis de bus tubulaires normalement fabriqués en acier au carbone pourraitréduire le poids jusqu'à 35 % - plus de 1 000 kg– tout en restant compétitif sur le plan des coûts.

Traditionnellement, environ90 % des bus sont en acier au carbone . Cependant, l'acier inoxydable offre un certain nombre d'avantages tant pour les fabricants d'autobus que pour les exploitants. En particulier, sa résistance à la corrosion offre une durabilité ainsi qu'une réduction du temps et des coûts de maintenance. De plus, des nuances d'acier inoxydable à haute résistance sont disponibles dans le commerce et offrent d'énormes économies de poids. Ceci est illustré dans le développement virtuel effectué par l'équipe du projet.

Des matériaux candidats appropriés pour une structure de bus tubulaire sont présentés sur la figure 1. Généralement, un acier au carbone à faible coût, mais non résistant à la corrosion, est utilisé. Généralement, la nuance est S355 ainsi que la plus haute résistance S460, les deux noms faisant référence à leur limite d'élasticité minimale. Les matériaux suivants sur la liste sont les aciers inoxydables à faible résistance. Enfin, il y a la gamme d'aciers inoxydables à haute résistance dont le Lean Duplex Forta LDX 2101 qui a une haute résistance à la corrosion. Il existe également le Forta H800 développé pour ses capacités de haute résistance, c'est pourquoi sa résistance à la corrosion apparaît faible pour un acier inoxydable.

Le projet s'est concentré sur l'évaluation des avantages en termes de poids et de coût du Forta H800 par rapport à l'acier au carbone S460 qui offre la comparaison la plus difficile pour les structures d'autobus existantes. La nuance S700 récemment développée pourrait également être envisagée, car elle offre une limite d'élasticité comparable à celle du Forta H800, mais avec un potentiel d'allongement et d'absorption de collision/résistance aux chocs beaucoup plus faible.

Forta H800 est un acier inoxydable entièrement austénitique développé pour les composants structurels de véhicules critiques pour la sécurité. Il ouvre de nouvelles opportunités dans l'ingénierie et la conception légères en combinant ultra-haute résistance et très haute absorption d'énergie en cas d'impact. Il a également l'avantage d'être sans nickel, ce qui élimine la volatilité des prix associée aux nuances qui utilisent le nickel comme élément d'alliage.

Une caractéristique clé du Forta H800 est son mécanisme de renforcement TWIP (Twinning Induced Plasticity) qui provoque le durcissement continu de la structure du matériau lorsqu'il est soumis à un impact de collision.

Avec Forta H800 identifié comme un matériau alternatif approprié, FCMS, l'Université des sciences appliquées de Munich, RotherCONSULT et Outokumpu ont collaboré pour déterminercomment il pourrait être utilisé au mieux dans les structures de bus . Les principaux objectifs étaient d'examiner comment l'utilisation de l'acier inoxydable pouvait :

FCMS a effectué une modélisation paramétrique. L'université a effectué des essais de fatigue sur les joints tubulaires soudés des deux matériaux et RotherCONSULT a développé et compilé les exigences du système, les stratégies d'analyse simplifiées et les procédures de qualification structurelle. Outokumpu a fourni les matériaux, les connaissances et les données connexes.

Pour simuler les performances de la structure du bus, une combinaison d'outils a été utilisée, y compris la modélisation géométrique paramétrique ainsi que des méthodes d'analyse rapides, automatiques et robustes. L'IA (intelligence artificielle) a été utilisée pour générer automatiquement des alternatives de conception et leurs modèles de simulation associés. Il n'aurait pas été possible d'entreprendre ce travail manuellement, car il nécessitait l'évaluation et l'itération de milliers de conceptions.

Au cœur de l'approche se trouvait laModélisateur de concept rapide (FCM) , outil embarqué dans CATIA (application interactive tridimensionnelle assistée par ordinateur), progiciel de conception et de développement de produits. FCM fonctionne aussi bien avec des modèles conceptuels de type poutre qu'avec des modèles détaillés de type coque et solide. Il offre la possibilité d'évaluer l'impact des changements de profils, d'épaisseurs de paroi et de matériaux, ainsi que les changements de topologie tels que la position des segments de cadre et des jonctions. Ce dernier aspect, qui se traduirait finalement par une refonte du châssis du bus, ne faisait pas partie de ce projet, mais offre la possibilité d'un allégement supplémentaire dans les futurs exercices de conception.

Le projet visait à envisager des centaines voire des milliers d'alternatives de conception. Cela nécessitait des méthodes d'analyse efficaces, pour lesquelles les idéalisations de faisceau sont bien adaptées. Une fois qu'un concept potentiellement viable a été identifié, le maillage des éléments de coque a été utilisé pour valider son intégrité structurelle ou pour poursuivre le processus d'optimisation en accordant plus d'attention aux détails locaux.

FCM peut être utilisé pour extraire simultanément des maillages de poutre et de coque à partir du même modèle CAO géométrique tridimensionnel, comme le montre la figure 2. Il montre également le temps d'analyse approximatif, avec un maillage de faisceau environ 1 000 fois plus rapide que le maillage de coque pour l'analyse des collisions sans grande perte de précision. Cela peut entraîner des gains de temps considérables lorsque les étapes doivent être répétées plusieurs fois.

Le projet de simulation était basé sur un modèle de bus de référence générique, comme le montre la figure 3. La conception est basée sur des représentations publiées, mais est destinée à être "typique", plutôt qu'à représenter un bus d'un fabricant particulier. Il mesure environ 14 mètres de long avec trois essieux, capable de transporter 63 passagers et deux conducteurs, ce qui donne une masse totale de 20 800 kg.

Pour limiter le nombre de variables de conception, les membres de l'ossature ont été placés dans 13 groupes comme indiqué par les différentes couleurs de la Figure 3 . Les éléments structuraux de chaque groupe ont été analysés simultanément pour chaque alternative de conception.

Le modèle a été analysé dans les quatre cas de charge suivants, avec les deux matériaux de structure alternatifs en acier au carbone et en acier inoxydable :

La figure 4 montre les résultats des simulations d'un très grand nombre (des milliers) d'expériences.

Le boîtier de référence est basé sur une structure de cadre pur entièrement en acier au carbone (S460) d'un poids de 3 600 kg. Même dans ce cas, l'optimisation a permis un gain de poids utile de 116 kg. Avec le remplacement complet de l'acier au carbone par de l'acier inoxydable (Forta H800), la masse de la structure a été réduite d'un tiers, économisant 1 193 kg. L'une des principales conclusions de la simulation de renversement était que l'épaisseur de paroi du tube pouvait être réduite de 4 mm à 2 mm, ce qui représentait une grande partie de l'économie de poids.

Le projet est ensuite passé à l'examen d'une stratégie d'optimisation avec une structure hybride comprenant les deux types d'acier. Deux alternatives ont été examinées. La première, et la plus évidente, consistait à utiliser Forta H800 pour les principaux ordinateurs centraux. Il était également intéressant d'observer ce qui se passe lorsque les principaux mainframes sont construits avec S460.

La réduction de poids par rapport à la conception S460 uniquement est très significative - 25 % si le S460 est utilisé pour les châssis supérieurs et 35 %, lorsque la majeure partie de la section supérieure est créée en Forta H800. La réduction de poids potentielle est de près de 1 300 kg.

Un autre facteur important est que le volume de soudure nécessaire pour créer la structure est réduit de plus de 50 %. Ce qui est également intéressant, c'est qu'il y a un petit abaissement du centre de gravité (COG), ce qui est bénéfique pour la dynamique de conduite.

La figure 5 montre l'impact sur les coûts d'un changement de matériau de cadre. Étant donné que les coûts relatifs des différents aciers peuvent varier dans le temps et selon les conditions du marché, trois facteurs ont été utilisés pour mettre à l'échelle le coût du Forta H800 par rapport au S460 - 2, 2,5 et 3 fois.

Même avec un facteur de 3, la réduction de poids signifie que la structure hybride est comparable en coût à la structure S460 uniquement, tandis qu'avec un facteur de 2, la conception hybride représente une amélioration de 18 % des coûts de matériaux. Dans cette analyse, seuls les coûts des matériaux purs ont été comparés et des aspects supplémentaires tels que la conception légère et la consommation d'énergie pendant la production n'ont pas été pris en compte.

Des travaux sont en cours pour affiner davantage le processus de simulation. Il est également possible d'étudier davantage de variables, telles que les matériaux, les sections, les épaisseurs de paroi et les emplacements des jonctions. Cela permettrait alors une refonte complète de la structure du bus.

L'effet des techniques de fabrication est un autre facteur important à considérer dans les travaux futurs. Par exemple, les performances des joints soudés sous charge de fatigue peuvent être considérablement améliorées en affinant le processus d'assemblage et en éloignant le joint soudé des zones les plus sollicitées. Cela peut même offrir la possibilité de réduire davantage la section transversale ou l'épaisseur de paroi. Il est probable que si la même simulation détaillée ici était effectuée pour inclure des processus d'assemblage raffinés, la différence entre les structures en acier au carbone et en acier inoxydable serait encore plus importante.

L'industrie des autobus et autocars a la réputation d'être très traditionnelle dans son approche et réticente à adopter de nouveaux matériaux. Cependant, l'industrie du transport en général subit une pression croissante pour se décarboner. Cela force désormais le rythme du changement en termes de création d'une nouvelle génération de véhicules adaptés à la traction électrique pure ou hybride. L'efficacité énergétique sera cruciale pour leur succès et cela nécessite l'adoption de nouvelles méthodes de construction légère.

Les simulations réalisées à ce jour ont démontré que l'acier inoxydable offre un potentiel important pour apporter des gains substantiels au poids du véhicule, sans perte de performance.

Le projet a également montré que la meilleure utilisation de l'acier inoxydable peut être dans le cadre d'une structure de châssis de bus hybride qui offre à la fois des avantages en termes de poids et de coût.