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Repositorio de la Universidad de Zaragoza – Zaguan http://zaguan.unizar.es Trabajo Fin de Máster Optimización de un Pilar A Superior de automóvil en diferentes materiales en base a la normativa FMVSS216 de ensayo de techo Autor Diego García Lázaro Codirectores Luis Castejón Herrer David Valladares Hernando Escuela de Ingeniería y Arquitectura 2013 Diego García Lázaro TFM: Optimización de un Pilar A Superior de automóvil en diferentes materiales en base la norma FMVSS216 de ensayo de techo. Página - 2 - de 50 Diego García Lázaro TFM: Optimización de un Pilar A Superior de automóvil en diferentes materiales en base la norma FMVSS216 de ensayo de techo Página - 3 - de 50 RESUMEN El siguiente proyecto tiene como objeto el estudio comparativo-teórico del comportamiento frente a vuelco de un Pilar A Superior de automóvil fabricado con diferentes tipos de materiales. Para este estudio se han utilizado herramientas de modelización y simulación numéricas basadas en el Método de los Elementos Finitos: - Patran para el diseño de la geometría y el preproceso. - Ábaqus para el cálculo y el postproceso. La optimización del Pilar A Superior se hace en base a la norma americana FMVSS216. Esta normativa establece un criterio de ensayo de techo de automóvil, de modo que su superación implica que un vehículo tenga una resistencia mínima frente a vuelco. Según esta normativa se aplica una fuerza sobre una esquina del automóvil, donde se une el techo con el pilar A, por medio de una placa rígida inclinada 25º respecto a la longitudinal y 5º respecto al frente. El vehículo debe presentar una reacción al aplastamiento determinada para diferentes niveles de desplazamiento. Los componentes del automóvil responsables de proporcionar la rigidez requerida son principalmente el Pilar A Superior, pero también el techo y el parabrisas en menor medida. En el presente proyecto se plantea la optimización del Pilar A Superior de un automóvil, aplicando diferentes espesores (0,8 mm, 1,4 mm y 2 mm) en aceros con diferentes grados de resistencia, que van desde un acero convencional (S355JR), hasta aceros de alta (DOCOL 1000DP) y ultra alta resistencia (DOCOL 1400M). El objetivo consiste en lograr pesos más reducidos al aplicar aceros de alta resistencia con espesores óptimos, logrando cumplir la normativa como con el diseño original. También se planteará el diseño del Pilar A Superior en diferentes aleaciones de aluminio (EN AW 5083, EN AW 6082T4 y EN AW 6082T6), comprobándose el ahorro en peso obtenido, pero siempre con el objetivo de cumplir la normativa. La metodología aplicada en el desarrollo de este proyecto es el Método de los Elementos Finitos, con integración explícita de la ecuación de equilibrio dinámica. Diego García Lázaro TFM: Optimización de un Pilar A Superior de automóvil en diferentes materiales en base la norma FMVSS216 de ensayo de techo. Página - 4 - de 50 TABLA DE CONTENIDOS 1. PILAR A: GENERALIDADES ................................................................................................ - 5 - 1.1. Geometría ............................................................................................................... - 7 - 1.2. Ubicación ................................................................................................................. - 8 - 1.3. Técnicas de fabricación ........................................................................................... - 8 - 2. LA NORMA FMVSS216: ENSAYO DE TECHO. INFORMACIÓN RELEVANTE ......................... - 11 - 2.1. Adaptación de la norma al estudio comparativo .................................................. - 14 - 3. SIMULACIÓN DEL ENSAYO MEDIANTE EL MÉTODO DE LOS ELEMENTOS FINITOS ............. - 14 - 3.1. Generalidades ....................................................................................................... - 14 - 3.1.1. Descripción del software utilizado .................................................................. - 14 - 3.1.2. Preproceso ...................................................................................................... - 14 - 3.1.3. Cálculo y consideraciones sobre el cálculo ..................................................... - 15 - 3.1.4. Postproceso ..................................................................................................... - 17 - 3.2. Elección del espesor y tipo de acero del Pilar A Superior en base al desplazamiento obtenido ............................................................................................................................... - 19 - 3.2.1. Espesor 0,8 mm ............................................................................................... - 20 - 3.2.2. Espesor 1,4 mm ............................................................................................... - 24 - 3.2.3. Espesor 2 mm .................................................................................................. - 28 - 3.3. Elección del espesor y tipo de aluminio del Pilar A Superior en base al desplazamiento obtenido ............................................................................................................. - 32 - 3.3.1. Espesor 0,8 mm ............................................................................................... - 33 - 3.3.2. Espesor 1,4 mm ............................................................................................... - 37 - 3.3.3. Espesor 2 mm .................................................................................................. - 41 - 4. CONCLUSIONES ............................................................................................................. - 45 - 5. BIBLIOGRAFÍA ............................................................................................................... - 49 - 6. ANEXOS ........................................................................................................................ - 50 - Diego García Lázaro TFM: Optimización de un Pilar A Superior de automóvil en diferentes materiales en base la norma FMVSS216 de ensayo de techo Página - 5 - de 50 1. PILAR A: GENERALIDADES Pilar A es el nombre genérico que se aplica al montante de vano, que une el techo de un automóvil al resto de la estructura habitable del mismo en su parte delantera, sirviendo a su vez de soporte a la luna parabrisas y de anclaje a las puertas delanteras. El pilar A es una pieza con una alta responsabilidad estructural, puesto que tiene como función impedir que el habitáculo de pasajeros se deforme en caso de impacto frontal o vuelco. Por lo general, para los fabricantes de vehículos el Pilar A se compone de dos piezas totalmente diferenciadas, que se denominan Pilar A Superior y Pilar A Inferior (figura 1). El primero de ellos se encuentra unido fundamentalmente al techo del vehículo y al pilar B y en algunos modelos de automóviles también se une al pilar C. Por el contrario, el Pilar A Inferior se encuentra unido fundamentalmente al refuerzo del estribo. Figura 1. Imagen del Pilar A Superior e Inferior Destacar que el Pilar A, tanto superior como inferior, está compuesto por varias piezas. Una pieza exterior sobre la que se sueldan varios refuerzos que sirven para dar rigidez y resistencia a la pieza exterior (figura 2). Pilar A Superior Pilar A Inferior Diego García Lázaro TFM: Optimización de un Pilar A Superior de automóvil en diferentes materiales en base la norma FMVSS216 de ensayo de techo. Página - 6 - de 50 Figura 2. Despiece del Pilar A Superior e Inferior Sobre el Pilar A se coloca una pieza de cierre, que cubre el mismo, impidiendo su visión desde el exterior. Esta pieza desempeña exclusivamente las funciones de cerramiento, sin ningún tipo de responsabilidad estructural. El nombre que recibe esta pieza es marco lateral del vehículo (figura 3), y además de servir de cerramiento del Pilar A cubre también piezas como el pilar B, refuerzo de estribo y pilar C. Figura 3. Imagen del marco lateral Diego García Lázaro TFM: Optimización de un Pilar A Superior de automóvil en diferentes materiales en base la norma FMVSS216 de ensayo de techo Página - 7 - de 50 1.1. Geometría Es habitual que la geometría que presenta el Pilar A sea muy similar en todos los vehículos, radicando la diferencia fundamentalmente entre el que lleva un vehículo y otro en su longitud, anchura y espesor. La geometría del Pilar A se obtiene a través de un proceso de estampación, para posteriormente soldarle los refuerzos interiores (figura 4) y unirlo a la carrocería por sus dos extremos longitudinales mediante soldadura por resistencia eléctrica por puntos (figura 5). Figura 4. Imagen de los refuerzos interiores del Pilar A Superior e Inferior y del Pilar B Figura 5. Imagen del Pilar A Superior del Golf VII Refuerzo interior Pilar A Superior Pilar A Superior Diego García Lázaro TFM: Optimización de un Pilar A Superior de automóvil en diferentes materiales en base la norma FMVSS216 de ensayo de techo. Página - 8 - de 50 1.2. Ubicación La ubicación del Pilar A Superior dentro del vehículo queda representada en la figura 6. Figura 6. Posición del Pilar A Superior dentro de la carrocería 1.3. Técnicas de fabricación Desde hace tiempo los fabricantes de vehículos vienen trabajando en el aligeramiento del peso de las carrocerías, con el objetivo de reducir los niveles de consumo de combustible y las emisiones de gases contaminantes de sus vehículos, pero sin penalizar los niveles de resistencia frente a choque. Esta línea de trabajo supuso en primera estancia la utilización de nuevos aceros (DP, CP, TRIP, Martensíticos y al Boro) para la fabricación de carrocerías, aceros más resistentes, que permiten fabricar piezas con un espesor menor, y por lo tanto más ligeras, pero sin perder los niveles de resistencia iniciales de la pieza, llegando incluso en muchos casos a incrementarlos (figura 7). Diego García Lázaro TFM: Optimización de un Pilar A Superior de automóvil en diferentes materiales en base la norma FMVSS216 de ensayo de techo Página - 9 - de 50 Figura 7. Gráfica que relaciona el alargamiento con la carga unitaria de rotura para diferentes aceros Una vez consolidado e implantado el uso de esta nueva generación de aceros para la fabricación, sobre todo de piezas estructurales de carrocerías de vehículos, se sigue investigando en cómo conseguir unos niveles de aligeramiento mayores. Tradicionalmente, las bobinas de acero utilizadas para estampar o conformar las piezas estructurales de las carrocerías de los vehículos presentan un espesor uniforme. Esto condiciona enormemente la posibilidad de reducir el peso de las piezas, puesto que toda la pieza no está sometida a los mismos esfuerzos pero se hace necesario fabricarla por completo con el espesor que permite soportarlos. El escenario ideal sería fabricar piezas con espesor variable, lo que llevaría a conseguir, no sólo un ahorro de material, sino también un incremento de flexibilidad en el diseño, eliminándose los refuerzos que pueda llevar la pieza en aquellas zonas sometidas a mayores esfuerzos. El resultado de ello es la aparición de dos nuevas técnicas de fabricación de piezas denominadas Tailored Blank y Tailored Rolled Blank, que permiten fabricar piezas con espesor variable. - Tailored Blank: El proceso de fabricación consiste en estampar por separado cada una de las partes de la pieza con diferente espesor para posteriormente unirlas por soldadura laser y obtener finalmente la pieza completa (figura 8). De esta forma se consigue que cada zona de la pieza tenga el espesor adecuado en función de los esfuerzos a los que está sometida. Diego García Lázaro TFM: Optimización de un Pilar A Superior de automóvil en diferentes materiales en base la norma FMVSS216 de ensayo de techo. Página - 16 - de 50 desde el punto de vista de cálculo, tener en cuenta esa velocidad supondría incrementar el tiempo de cálculo y el tamaño de los ficheros obtenidos, y todo para obtener los mismos resultados que la simulación que se ha llevado a cabo. Otro aspecto a reseñar es la posición de la placa rígida antes de iniciar la simulación. Ésta se encuentra a 6,3 mm de distancia del vehículo, por lo tanto la placa al inicio del ensayo se desplaza esa distancia sin encontrar resistencia hasta que hace contacto con el vehículo. “Abaqus Explicit” realizar el cálculo de la siguiente forma: Análisis dinámico explícito: El procedimiento dinámico explícito consiste en realizar un gran número de pequeños incrementos de tiempo de forma eficiente. Para ello se usa una regla de integración de tiempo de diferencia-central explícita; cada incremento es relativamente reducido (comparado con el procedimiento de análisis dinámico de integración directa) porque no hay una solución para un grupo de ecuaciones simultáneas. El operador de diferencia-central explícita satisface la ecuación de equilibrio dinámico al principio del incremento, t, las aceleraciones calculadas en tiempo t usadas como incremento a la solución de la velocidad en el instante t+Δt/2 y la solución del desplazamiento al instante t+Δt. Implementación numérica: El procedimiento de análisis dinámico explícito se basa en la implementación de una regla de integración explícita junto con el uso de los elementos de la diagonal de la matriz de masa. La ecuación de movimiento para el cuerpo se integra usando la regla de integración central-diferencial explícita. donde es un grado de libertad (una componente del desplazamiento o rotación) y el subíndice i se refiere al número de incremento en una paso dinámico explícito. El operador de integración central-diferencial es explícito en el sentido que el estado cinemático es incrementado usando los valores conocidos de y del incremento previo. La regla de integración es bastante simple pero por si sola no proporciona la eficiencia del cálculo asociada con el procedimiento dinámico explícito. La clave para la eficiencia del cálculo del procedimiento explícito está en usar los elementos de la diagonal de la matriz de masa porque la aceleración al principio del incremento está calculada por Diego García Lázaro TFM: Optimización de un Pilar A Superior de automóvil en diferentes materiales en base la norma FMVSS216 de ensayo de techo Página - 17 - de 50 donde es la matriz de masa, es el vector de carga aplicado, e es el vector de fuerza interna. La matriz de masa es usada porque su inversa es fácil de calcular y porque la multiplicación del vector de la inversa de la masa por la fuerza interna requiere únicamente de n operaciones, donde n es el número de grados de libertad del modelo. El procedimiento explícito no requiere de interacciones ni de matriz tangente de rigidez. El vector de fuerza interna, , se ensambla de la contribución de elementos individuales, de esta forma la matriz de rigidez global no es necesaria. 3.1.4. Postproceso Una vez que ha finalizado el cálculo los resultados obtenidos se visualizan a través de “Abaqus Viewer”. Para el estudio, objeto de este informe, los resultados relevantes son los siguientes: - Desplazamiento de la placa rígida, para comprobar si se cumple o no las exigencias de la norma. - Balance de energías, con objeto de comprobar que la simulación ha sido satisfactoria y los resultados obtenidos son fiables. El balance de energías obtenido debe estar próximo a cero (nunca es cero por el grado de error inherente al cálculo). Para el problema objeto del estudio el balance de energía estaría compuesto por varios tipos de energías que se indican a continuación (figura 12): Balance de Energía = ALLKE + ALLIE + ALLVD + ALLFD – ALLWK ≈ 0 ALLKE: Energía cinética. ALLIE: Energía de deformación. ALLVD: Energía disipada por efectos viscosos. ALLFD: Energía disipada por rozamiento. ALLWK: Energía generada por fuerzas externas. Diego García Lázaro TFM: Optimización de un Pilar A Superior de automóvil en diferentes materiales en base la norma FMVSS216 de ensayo de techo. Página - 18 - de 50 Figura 12. Representación gráfica del balance de energías Diego García Lázaro TFM: Optimización de un Pilar A Superior de automóvil en diferentes materiales en base la norma FMVSS216 de ensayo de techo Página - 19 - de 50 3.2. Elección del espesor y tipo de acero del Pilar A Superior en base al desplazamiento obtenido A continuación, se muestran los resultados obtenidos en “Abaqus Explicit” para los diferentes espesores y aceros utilizados (figuras 13 a 30). Posteriormente, se analizan los desplazamientos obtenidos en base al requerimiento establecido por la norma para comprobar si cumplen o no cumplen, así como el peso del Pilar A Superior (tablas 2 a 4). Finalmente, se representan gráficamente los desplazamientos obtenidos frente a la fuerza aplicada de los tres aceros analizados para cada uno de los espesores estudiados, con objeto de comparar visualmente su evolución a lo largo de la simulación (gráfico 1 a 3). Diego García Lázaro TFM: Optimización de un Pilar A Superior de automóvil en diferentes materiales en base la norma FMVSS216 de ensayo de techo. Página - 20 - de 50 3.2.1. Espesor 0,8 mm Figura 13. Deformación sufrida por el Pilar A Superior en el momento en el que se alcanza la fuerza máxima para el acero S355JR con espesor de 0,8 mm Figura 14. Deformación sufrida por el Pilar A Superior en el momento en el que se alcanza la fuerza máxima para el acero S355JR con espesor de 0,8 mm Diego García Lázaro TFM: Optimización de un Pilar A Superior de automóvil en diferentes materiales en base la norma FMVSS216 de ensayo de techo Página - 21 - de 50 Figura 15. Deformación sufrida por el Pilar A Superior en el momento en el que se alcanza la fuerza máxima para el acero DOCOL 1000DP con espesor de 0,8 mm Figura 16. Deformación sufrida por el Pilar A Superior en el momento en el que se alcanza la fuerza máxima para el acero DOCOL 1000DP con espesor de 0,8 mm Diego García Lázaro TFM: Optimización de un Pilar A Superior de automóvil en diferentes materiales en base la norma FMVSS216 de ensayo de techo. Página - 22 - de 50 Figura 17. Deformación sufrida por el Pilar A Superior en el momento en el que se alcanza la fuerza máxima para el acero DOCOL 1400M con espesor de 0,8 mm Figura 18. Deformación sufrida por el Pilar A Superior en el momento en el que se alcanza la fuerza máxima para el acero DOCOL 1400M con espesor de 0,8 mm Diego García Lázaro TFM: Optimización de un Pilar A Superior de automóvil en diferentes materiales en base la norma FMVSS216 de ensayo de techo Página - 23 - de 50 ACERO FUERZA (N) DESPLAZAMIENTO (mm) CUMPLE CON LA NORMA PESO (kg) S355JR 48.412 37,0748 < 127 SI 6,302 DOCOL 1000DP 26,1669 < 127 SI DOCOL 1400M 22,9973 < 127 SI Tabla 2. Resultados de los desplazamientos para los aceros S355JR, DOCOL 1000DP y DOCOL 1400M y peso del Pilar A Superior para un espesor de 0,8 mm Gráfico 1. Desplazamiento-Fuerza para los aceros S355JR, DOCOL 1000DP y DOCOL 1400M con un espesor de 0,8 mm 48.412 N 0 10.000 20.000 30.000 40.000 50.000 60.000 0,00 0,01 0,01 0,02 0,02 0,03 0,03 0,04 0,04 Fuerza (N) Desplazamiento (m) S355JR DOCOL 1000DP DOCOL 1400M FUERZA MÁXIMA Diego García Lázaro TFM: Optimización de un Pilar A Superior de automóvil en diferentes materiales en base la norma FMVSS216 de ensayo de techo. Página - 24 - de 50 3.2.2. Espesor 1,4 mm Figura 19. Deformación sufrida por el Pilar A Superior en el momento en el que se alcanza la fuerza máxima para el acero S355JR con espesor de 1,4 mm Figura 20. Deformación sufrida por el Pilar A Superior en el momento en el que se alcanza la fuerza máxima para el acero S355JR con espesor de 1,4 mm Diego García Lázaro TFM: Optimización de un Pilar A Superior de automóvil en diferentes materiales en base la norma FMVSS216 de ensayo de techo Página - 25 - de 50 Figura 21. Deformación sufrida por el Pilar A Superior en el momento en el que se alcanza la fuerza máxima para el acero DOCOL 1000DP con espesor de 1,4 mm Figura 22. Deformación sufrida por el Pilar A Superior en el momento en el que se alcanza la fuerza máxima para el acero DOCOL 1000DP con espesor de 1,4 mm Diego García Lázaro TFM: Optimización de un Pilar A Superior de automóvil en diferentes materiales en base la norma FMVSS216 de ensayo de techo. Página - 32 - de 50 3.3. Elección del espesor y tipo de aluminio del Pilar A Superior en base al desplazamiento obtenido A continuación, se muestran los resultados obtenidos en “Abaqus Explicit” para los diferentes espesores y aluminios utilizados (figuras 31 a 48). Posteriormente, se analizan los desplazamientos obtenidos en base al requerimiento establecido por la norma para comprobar si cumplen o no cumplen, así como el peso del Pilar A Superior (tablas 5 a 7). Finalmente, se representan gráficamente los desplazamientos obtenidos frente a la fuerza aplicada de los tres aceros analizados para cada uno de los espesores estudiados, con objeto de comparar visualmente su evolución a lo largo de la simulación (gráfico 4 a 6). Diego García Lázaro TFM: Optimización de un Pilar A Superior de automóvil en diferentes materiales en base la norma FMVSS216 de ensayo de techo Página - 33 - de 50 3.3.1. Espesor 0,8 mm Figura 31. Deformación sufrida por el Pilar A Superior en el momento en el que se alcanza la fuerza máxima para el aluminio EN AW 5083 con espesor de 0,8 mm Figura 32. Deformación sufrida por el Pilar A Superior en el momento en el que se alcanza la fuerza máxima para el aluminio EN AW 5083 con espesor de 0,8 mm Diego García Lázaro TFM: Optimización de un Pilar A Superior de automóvil en diferentes materiales en base la norma FMVSS216 de ensayo de techo. Página - 34 - de 50 Figura 33. Deformación sufrida por el Pilar A Superior en el momento en el que se alcanza la fuerza máxima para el aluminio EN AW 6082T4 con espesor de 0,8 mm Figura 34. Deformación sufrida por el Pilar A Superior en el momento en el que se alcanza la fuerza máxima para el aluminio EN AW 6082T4 con espesor de 0,8 mm Diego García Lázaro TFM: Optimización de un Pilar A Superior de automóvil en diferentes materiales en base la norma FMVSS216 de ensayo de techo Página - 35 - de 50 Figura 35. Deformación sufrida por el Pilar A Superior en el momento en el que se alcanza la fuerza máxima para el aluminio EN AW 6082T6 con espesor de 0,8 mm Figura 36. Deformación sufrida por el Pilar A Superior en el momento en el que se alcanza la fuerza máxima para el aluminio EN AW 6082T6 con espesor de 0,8 mm Diego García Lázaro TFM: Optimización de un Pilar A Superior de automóvil en diferentes materiales en base la norma FMVSS216 de ensayo de techo. Página - 36 - de 50 ALUMINIO FUERZA (N) DESPLAZAMIENTO (mm) CUMPLE CON LA NORMA PESO (kg) EN AW 5083 48.412 81,5005 < 127 SI 2,181 EN AW 6082T4 105,9980 < 127 SI EN AW 6082T6 46,7958 < 127 SI Tabla 5. Resultados de los desplazamientos para los aluminios EN AW 5083, EN AW 6082T4 y EN AW 6082T6 y peso del Pilar A Superior para un espesor de 0,8 mm Gráfico 4. Desplazamiento-Fuerza para los aluminios EN AW 5083, EN AW 6082T4 y EN AW 6082T6 con un espesor de 0,8 mm 48.412 N 0 10.000 20.000 30.000 40.000 50.000 60.000 0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1 0,12 Fuerza (N) Desplazamiento (m) EN AW 5083 EN AW 6082T4 EN AW 6082T6 FUERZA MÁXIMA Diego García Lázaro TFM: Optimización de un Pilar A Superior de automóvil en diferentes materiales en base la norma FMVSS216 de ensayo de techo Página - 37 - de 50 3.3.2. Espesor 1,4 mm Figura 37. Deformación sufrida por el Pilar A Superior en el momento en el que se alcanza la fuerza máxima para el aluminio EN AW 5083 con espesor de 1,4 mm Figura 38. Deformación sufrida por el Pilar A Superior en el momento en el que se alcanza la fuerza máxima para el aluminio EN AW 5083 con espesor de 1,4 mm Diego García Lázaro TFM: Optimización de un Pilar A Superior de automóvil en diferentes materiales en base la norma FMVSS216 de ensayo de techo. Página - 38 - de 50 Figura 39. Deformación sufrida por el Pilar A Superior en el momento en el que se alcanza la fuerza máxima para el aluminio EN AW 6082T4 con espesor de 1,4 mm Figura 40. Deformación sufrida por el Pilar A Superior en el momento en el que se alcanza la fuerza máxima para el aluminio EN AW 6082T4 con espesor de 1,4 mm Diego García Lázaro TFM: Optimización de un Pilar A Superior de automóvil en diferentes materiales en base la norma FMVSS216 de ensayo de techo Página - 39 - de 50 Figura 41. Deformación sufrida por el Pilar A Superior en el momento en el que se alcanza la fuerza máxima para el aluminio EN AW 6082T6 con espesor de 1,4 mm Figura 42. Deformación sufrida por el Pilar A Superior en el momento en el que se alcanza la fuerza máxima para el aluminio EN AW 6082T6 con espesor de 1,4 mm Diego García Lázaro TFM: Optimización de un Pilar A Superior de automóvil en diferentes materiales en base la norma FMVSS216 de ensayo de techo. Página - 40 - de 50 ALUMINIO FUERZA (N) DESPLAZAMIENTO (mm) CUMPLE CON LA NORMA PESO (kg) EN AW 5083 48.412 44,1572 < 127 SI 3,818 EN AW 6082T4 45,3594 < 127 SI EN AW 6082T6 33,8256 < 127 SI Tabla 6. Resultados de los desplazamientos para los aluminios EN AW 5083, EN AW 6082T4 y EN AW 6082T6 y peso del Pilar A Superior para un espesor de 1,4 mm Gráfico 5. Desplazamiento-Fuerza para los aluminios EN AW 5083, EN AW 6082T4 y EN AW 6082T6 con un espesor de 1,4 mm 48.412 N 0 10.000 20.000 30.000 40.000 50.000 60.000 0 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 Fuerza (N) Desplazamiento (m) EN AW 5083 EN AW 6082T4 EN AW 6082T6 FUERZA MÁXIMA Diego García Lázaro TFM: Optimización de un Pilar A Superior de automóvil en diferentes materiales en base la norma FMVSS216 de ensayo de techo Página - 41 - de 50 3.3.3. Espesor 2 mm Figura 43. Deformación sufrida por el Pilar A Superior en el momento en el que se alcanza la fuerza máxima para el aluminio EN AW 5083 con espesor de 2 mm Figura 44. Deformación sufrida por el Pilar A Superior en el momento en el que se alcanza la fuerza máxima para el aluminio EN AW 5083 con espesor de 2 mm Diego García Lázaro TFM: Optimización de un Pilar A Superior de automóvil en diferentes materiales en base la norma FMVSS216 de ensayo de techo. Página - 48 - de 50 Dado que se cumplen las exigencias de la norma por parte de los aluminios estudiados en los diferentes espesores propuestos, se recomienda fabricar el Pilar A Superior en aluminio puesto que se produce un ahorro en peso importante (tabla 10). ESPESOR (mm) PESO DEL PILAR A SUPERIOR EN ACERO (kg) PESO DEL PILAR A SUPERIOR EN ALUMINIO (kg) AHORRO EN PESO (%) 0,8 6,302 2,181 65,4 1,4 11,030 3,818 65,4 2 15,760 5,455 65,4 Tabla 10. Ahorro en peso a la hora de fabricar el Pilar A Superior en acero o aluminio Finalmente, si se analizan de forma conjunta todos datos de desplazamiento, espesor y peso para cada uno de los materiales estudiados, se obtiene que el Pilar A Superior óptimo debe ser fabricado con el aluminio EN AW 6082T4 con un espesor de 0,8 mm. Como líneas futuras de estudio se propone: - Analizar el comportamiento del Pilar A Superior frente a un choque frontal para comprobar la idoneidad de los materiales y espesores seleccionados. - La optimización del mismo a través del uso de las nuevas técnicas de fabricación utilizadas actualmente, Tailored Blank y Tailored Rolled Blank. Diego García Lázaro TFM: Optimización de un Pilar A Superior de automóvil en diferentes materiales en base la norma FMVSS216 de ensayo de techo Página - 49 - de 50 5. BIBLIOGRAFÍA [1] Manuales de reparación elaborados por el Instituto de Investigación sobre Reparación de Vehículos, S.A. – Centro Zaragoza. [2] Información técnica sobre materiales empleados en carrocerías de automóviles elaborada por el Instituto de Investigación sobre Reparación de Vehículos, S.A. – Centro Zaragoza. [3] “Golf 7 Tech Highligths our largest preview of the Golf 7 yet…” por Jamie Vondruska. [4] http://www.arcelormittal.com. [5] Tesis doctoral “Análisis transversal del fenómeno de vuelco en vehículo pesados y de grandes dimensiones” por David Valladares Hernando. [6] Abaqus Analysis User’s Manual. [7] APTA. Asociación para la promoción técnica del acero. [8] http://www.ssab.com. [9] http://www.amag.at. Diego García Lázaro TFM: Optimización de un Pilar A Superior de automóvil en diferentes materiales en base la norma FMVSS216 de ensayo de techo. Página - 50 - de 50 6. ANEXOS Diego García Lázaro TFM: Optimización de un Pilar A Superior de automóvil en diferentes materiales en base la norma FMVSS216 de ensayo de techo. Anexo 1: FMVSS216: Normativa de ensayo de techo Automotive Competence in Aluminium Rolled aluminium products for automotive applications THE COMPANY Innovative expertise for rolled aluminium products During the production of heat treatable and work hardening plate, sheet and coil, AMAG can rely on more than 70 years of experience of working with aluminium. Austria’s leading aluminium group is positioned in the heart of Europe and constitutes an exceptionally flexible specialist with concentrated competence that ranges from casting and rolling technologies to recycling. The company’s manufacturing technologies are state-of-the-art and production potential is constantly being enhanced and expanded by means of ongoing investment. Indeed, AMAG’s enormous innovation potential is based on the integrated location in Ranshofen with its multifaceted product portfolio, which features everything from a flexible approach to production complexity, to logistical partnership. Company quality assurance systems are aligned to the stringent demands of technologically advanced customer segments such as those of the aviation and automotive industries and brand article producers in the sports branch. Support is provided by the company’s own accredited testing centre, the officially accredited AMAG testing laboratory, which meets the high international standards recognized by the aerospace industry. The actual certifications are listed on the homepage www.amag.at. The exceptional commitment of the entire workforce to the continuous improvement process (CIP) is repeatedly evidenced by the creation of benchmarks, while employee motivation is characterised by quality consciousness, productivity and innovativeness. Indeed, the ideas and suggestions of the workforce represent a major factor in AMAG success. Clad material The production of clad materials, especially brazing coil and sheet, demands great care. Integrated quality management systems in combination with the stipulations contained in pressure vessel directives guarantee secure process production. Customers benefit from concentrated know-how, rapid procedures and adherence to flexible delivery dates. 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One example is the demand for excellent sheet formability in combination with high strength. In many cases, the characteristics requested are directly interdependent, or even of a contradictory nature. Targeted technological measures such as the optimization of chemical composition, hot and cold forming modifications and the perfection of heat treatment and annealing are required in this connection, in order that the full spectrum of special customer requirements can be balanced to the greatest possible extent. AMAG has responded to the challenges issued by the automotive industry with high quality special products, which stand out due to their excellent surface characteristics, high strength and optimum formability. These innovative solutions derive from AMAG’s unique mix of long-term experience, extensive material know-how and key production competences. The latter include the heat treatment of hardenable and high-strength materials, roll cladding technology and the manufacture of bright surfaces. For many years, AMAG has successfully reconciled the apparent contradictions involved in manufacturing products of the highest technical and qualitative standards in an ecological manner. The Alouette electrolysis plant in Canada, in which AMAG has a 20 per cent holding, only employs “clean” hydropower for the resource-protective production of primary metal. As a result, the most energy-intensive phase of the value added chain is covered in an ideal manner from an environmental perspective. Moreover, the AMAG casthouse in Ranshofen, which is one of the largest, single location recyclers of aluminium in Europe, has the expertise and equipment to convert diverse aluminium products that have reached the end of their life into premium AMAG products. Needless to say, this upgrading is both cost-efficient and ecologically acceptable. As a result, AMAG can clearly be regarded as an ideal partner for the realization of the steadily increasing demands made on aluminium products from an environmental standpoint. A focus on special customer challenges Automatic tensile stress testing using robots Infrared furnace for the heat treatment of fast hardening alloys Surface testing laboratory 3AMAG | Automotive | 10.2012 PRODUCTS AND SOLUTIONS The latest plants for innovative automotive materials At its Randhofen location, AMAG operates a modular plant park, which apart from the improved security of delivery derived from partially redundant production capacity, is characterized by markedly superior technical flexibility and product quality. Using the strict demands relating to outer skin qualities as a startingpoint, all the company’s plants are designed to provide continuous operation in tandem with the avoidance of surface defects. Continuous heat treatment The automotive industry employs naturally hard and heat treatable aluminium alloys for vehicle bodies, structural parts, chassis and system components. Heat treatment is the key process phase with regard to hardenable alloys and for this purpose, AMAG has two strip annealing lines in operation, which facilitate the continuous and cost-efficient heat treatment and annealing of coil in a globally unique thickness range of 0.3-8 mm. The availability of heat-treated strip with thicknesses of up to 8 mm is a major advantage, as in downstream production phases it can be processed by customers on a continuous basis. This represents a more efficient and economic approach than that offered by sheet. In the course of heat treatment, the strip is continuously brought up to the respective annealing temperature and is then held. Subsequently, it is quenched with water according to a precise, pre-set temperature profile rather than being cooled with air as is common practice. Moreover, as a result of its long-term experience in the heat treatment field, AMAG is able to secure excellent flatness, narrow process windows and improved mechanical characteristics. EDT surfaces and dry lubrication A suitable combination of surface structure and coating has a major influence on the quality of further processing by customers. Therefore, AMAG offers all its automotive semis with a choice of EDT or mill finish. In addition, the surfaces can be provided with a conventional or dry lubricant (Fig. 2). Of major importance in this regard is the even distribution of the lubricant across the entire width of the sheet. At AMAG this is ensured by a process stage, which is separate from heat treatment and especially significant with regard to fast-hardening alloys. Surface passivation Initially the natural oxide skin of the aluminium is removed by means a combined pickling and coating process and the surface passivated in the course of a Cr-free treatment. Fig. 1: Continuous heat treatment line III Fig. 2: Drylube application Slitting-line 4AMAG | Automotive | 10.2012 AMAG solutions for automotive applications Sheet and strip for bodies and structural use Structural and body parts constitute the main areas of application for naturally hard and heat treatable aluminium alloys in the automobile industry. As far as the sheet used for the visible part of the body is concerned, the demand is for perfect surface quality, which must be guaranteed along the entire production chain, right up to the finished component. In addition to this clearly defined stipulation regarding a defect-free surface in a delivery condition, on a metallurgical level care is taken that during forming into a body part, no unwanted surface effects such as roping occur. This is achieved by means of special modifications to the alloys, the use of the latest casting technology (EMC – Fig. 4) and optimum rolling and heat treatment processes. The same preconditions apply to optimized product modifications in connection with the special requirements relating to increased formability, improved bending, rapid hardening with maximum strength and special deformation behaviour under crash loads. Advanced metallurgical simulation tools are used in a support role for the definition of the main process parameters. Special roll clad applications Over the years, AMAG has developed into a roll clad technology specialist and the company’s roll clad products are used for the production of components for the lighting and aerospace industries, as well as for heat exchangers and decorative elements for the automotive industry. This results in a more clearly defined surface temper, which also remains stable for longer and provides the ideal preparation for subsequent welding and bonding processes. In line with the special requirements of the automotive industry, AMAG has invested in a highly modern surface treatment line, which will fulfill current coating requirements and also accommodate future coating modifications. This line is integrated into the run-out of the continuous heat treatment line III (Fig. 1). With this investment in a passivation line (Fig. 3), AMAG has again underlined its long-term orientation towards the automotive industry. Roll cladding allows the creation of extremely diverse material combinations with precisely defined layer thicknesses and extremely close cladding layer tolerances. In addition to standard applications, cladding combinations can be employed for the optimization of formability and improvements in corrosion resistance. This allows the use of high-strength materials in tandem with conventional forming procedures. Fig. 3: Passivation-line Fig. 4: EMC – ingot casting line 5AMAG | Automotive | 10.2012 GROUP COMPANIES & LOCATIONS AMAG rolling GmbH P.O. Box 32 5282 Ranshofen AUSTRIA T +43 7722 801 0 F +43 7722 809 406 [email protected] www.amag.at AMAG metal GmbH P.O. Box 36 5282 Ranshofen AUSTRIA T +43 7722 801 0 F +43 7722 809 479 [email protected] www.amag.at Aluminium Austria Metall (Québec) Inc. 1010 Sherbrooke ouest # 2414, Montréal, QC. H3A 2R7 CANADA T +1 514 844 1079 F +1 514 844 2960 [email protected] www.amag.at AMAG casting GmbH P.O. Box 35 5282 Ranshofen AUSTRIA T +43 7722 801 0 F +43 7722 809 415 [email protected] www.amag.at AMAG service GmbH P.O. Box 39 5282 Ranshofen AUSTRIA T +43 7722 801 0 F +43 7722 809 402 [email protected] www.amag.at AMAG operative companies AMAG Deutschland GmbH Lustheide 85 51427 Bergisch Gladbach GERMANY T +49 2204 58654 0 F +49 2204 58654 25 [email protected] AMAG FRANCE SARL 65, Rue Jean Jacques Rousseau 92150 Suresnes FRANCE T +33 141 448 481 F +33 141 380 507 [email protected] AMAG U.K. LTD. Beckley Lodge Leatherhead Road Great Bookham Surrey KT 23 4RN UNITED KINGDOM T +44 1372 450661 F +44 1372 450833 [email protected] Office Czech Republic David Bicovsky Marie Podvalove 929/5 196 00 Prag 9 - Cakovice CZECH REPUBLIC T +42 0725 002 993 [email protected] AMAG BENELUX B.V. Burgwal 47 2611 GG Delft NETHERLANDS T +31 15 21 33 222 F +31 15 21 25 795 [email protected] AMAG ITALIA S.r.l. Via Pantano 2 20122 Milano ITALY T +39 02 720 016 63 F +39 02 367 640 92 [email protected] AMAG USA Corp. 600 East Crescent Ave, Suite 207 Upper Saddle River NJ 07458-1827, USA T +1 201 9627105 F +1 972 4991100 [email protected] Office China PH Tay c/o H&N Packaging (Suzhou) Co, Ltd. No: 18, Xingye Road, Taicang Development Area Juangsu P.R. CHINA T +86 512 5344 2355 [email protected] AMAG rolling GmbH sales subsidiaries Korea/Trading GST Corporation 137-858, # Hanwha Obelisk, 1327-27 Seocho 2 Dong Seocho-Ku, Seoul KOREA T +82 2 597 7330 F +82 2 597 7350 [email protected] Mexico Intercontinental de Metales, S.A. de C.V. Cto. Historiadores No. 2A Cd. Satelite, Naucalpan de Juarez Edo. Mex., ZC 53100 MEXICO T +11 5255 5374 2272 F +11 5255 5374 2271 [email protected] Poland Nonferrometal ul. Kilin´skiego 4/114 32-600 Os´wi cim POLAND T +48 502 643 003 F +48 33 8 433 299 [email protected] Sweden, Norway, Finland Danubia Metallkontor AB Linnégatan 76 115 23 Stockholm SWEDEN T +46 8 704 95 95 F +46 8 704 28 20 [email protected] Switzerland R. Fischbacher AG Hagackerstrasse 10 8953 Dietikon SWITZERLAND T +41 44 740 59 00 F +41 44 740 00 19 [email protected] Spain/Trading Euromet Metales y Transformades, S.A. C/. Orense, 16-5oF 28020 Madrid SPAIN T +34 639 770 672 F +34 609 014 665 [email protected] Spain/OEM Glintek, ingeniería y aplicaciones del aluminio, SL C/Guillermo Tell, 27 Planta 1 08006 Barcelona SPAIN T +34 93 418 39 06 F +34 93 418 39 06 [email protected] Taiwan De Pont Intern. Company No. 1, Lane 961 Song Vun Road Tali City 41283, Taichung TAIWAN T +886 (0) 4 240 69 421 F +886 (0) 4 240 69 422 [email protected] Bulgaria/Cathode sheet Bulmet Blvd. Slivnitza 212, vh.D, et.6, ap.17 1202 Sofia BULGARIA T +35 929 83 1936 F +35 929 83 2651 [email protected] Denmark P. Funder & Son ApS Nyhavn 47, 2. sal 1051 Kobenhavn K. DENMARK T +45 39 63 89 83 F +45 39 63 89 70 [email protected] India Protos Engg Co PVT Ltd. 173, Thakur Niwas J tat a road Churchgate Mumbai - 400020 INDIA T +91 22 66 28 7030 F +91 22 22 02 1716 [email protected] Israel Bino Trading Haziporen 14 30500 Binyamina ISRAEL T +972 4 6389992 F +972 4 638939 [email protected] Italy/Aircraft plate Aerospace Engineering Via Rimassa, 41/6 16129 Genova ITALY T +39 010 55 08 51 F +39 010 574 0311 [email protected] www.amag.at Representatives of AMAG rolling GmbH AMAG Austria Metall AG P.O. Box 3 5282 Ranshofen AUSTRIA T +43 7722 801 0 F +43 7722 809 498 [email protected] www.amag.at 10.2012