バス構造にステンレス鋼を使用する利点。 サプライヤー Outokumpu によるミュンヘン大学との研究

以下は、ドイツ、クレーフェルトのオウトクンプ、アドバンスト マテリアルズの自動車ビジネス ラインのセールス マネージャー、Stefan Schuberth 氏による寄稿です。 教授、博士。 Klemens Rother、応用科学大学、ミュンヘン、ドイツ。 ヴェルナー・ポール博士、FCMS GmbH、ミュンヘン、ドイツ。 ステンレス鋼メーカーの Outokumpu は、CAD/CAE ソリューションのスペシャリストであるミュンヘン大学 FCMS と協力して、この種の初のプロジェクトを実施しました。

以下は、ドイツ、クレーフェルトのオウトクンプ、アドバンスト マテリアルズの自動車ビジネス ラインのセールス マネージャー、Stefan Schuberth 氏による寄稿です。 教授、博士。 Klemens Rother、応用科学大学、ミュンヘン、ドイツ。 ヴェルナー・ポール博士、FCMS GmbH、ミュンヘン、ドイツ。

ステンレス鋼メーカーの Outokumpu は、CAD/CAE ソリューションのスペシャリスト FCMS、ミュンヘン応用科学大学、RotherCONSULT と協力して、この種の初のプロジェクトを実施し、バス構造にステンレス鋼を使用する利点。

結果は、通常炭素鋼で製造される管状バスフレーム要素の代わりに高強度ステンレス鋼を使用すると、重量を最大 35 % 削減 – 1,000 kg 以上– コスト競争力を維持しながら。

従来、約バスの90%は炭素鋼で作られています 。 ただし、ステンレス鋼はバスメーカーとバス運行会社の両方に多くの利点をもたらします。 特に耐食性は持続可能性をもたらし、メンテナンスの時間とコストを削減します。 さらに、大幅な軽量化を実現する高強度ステンレス鋼グレードが市販されています。 これは、プロジェクト チームが実行した仮想開発で実証されています。

管状バス構造に適した材料の候補を図 1 に示します。一般に、低コストだが耐食性のない炭素鋼が使用されます。 通常、グレードは S355 とより強度の高い S460 であり、両方の名前は最小降伏強度を指します。 リストの次の材料は、強度レベルの低いステンレス鋼です。 最後に、高い耐食性を備えた希薄二相鋼 Forta LDX 2101 などの高強度ステンレス鋼製品群があります。 高強度を目的として開発されたフォルタ H800 もありますが、そのためステンレス鋼としては耐食性が低いと思われます。

このプロジェクトは、既存のバス構造の比較が最も難しい S460 炭素鋼と比べて、Forta H800 の重量とコストの利点を評価することに焦点を当てました。 最近開発されたグレード S700 も、Forta H800 と同等の降伏強度を提供しますが、伸びと衝突吸収/耐衝撃性の可能性ははるかに低いと考えられます。

Forta H800 は、安全性が重要な車両構造部品用に開発されたフルオーステナイト系ステンレス鋼です。 超高強度と衝撃時の非常に高いエネルギー吸収を組み合わせることで、軽量エンジニアリングと設計に新たな可能性を切り開きます。 また、ニッケルフリーであるため、合金元素としてニッケルに依存するグレードに伴う価格の変動がなくなるという利点もあります。

Forta H800 の主な特徴は、衝突衝撃を受けたときに材料構造を継続的に硬化させる TWIP (双晶誘起塑性) 強化メカニズムです。

Forta H800 が適切な代替材料として特定されたため、FCMS、ミュンヘン応用科学大学、RotherCONSULT、Outokumpu が協力して決定しました。バス構造でどのように最適に使用できるか 。 主な目的は、ステンレス鋼を使用することで次のことがどのように実現できるかを調べることでした。

FCMS はパラメトリック モデリングを実行しました。 大学は 2 つの材料の溶接管継手の疲労試験を実施し、RotherCONSULT はシステム要件、簡略化された解析戦略、および構造適格性評価のための手順を開発してまとめました。 オウトクンプは資料、関連知識、データを提供しました。

バス構造のパフォーマンスをシミュレートするには、パラメトリック ジオメトリ モデリングや高速、自動、堅牢な解析方法などのツールを組み合わせて使用​​しました。 AI (人工知能) を使用して、設計の代替案とそれに関連するシミュレーション モデルを自動的に生成しました。 何千もの設計の評価と反復が必要となるため、この作業を手動で行うのは現実的ではありませんでした。

アプローチの中心となったのは、ファストコンセプトモデラー (FCM)は、製品設計および開発ソフトウェア パッケージである CATIA (コンピューター支援 3 次元対話型アプリケーション) に組み込まれたツールです。 FCM は、概念的なビーム タイプ モデルと詳細なシェル モデルおよびソリッド モデルの両方で動作します。 これは、プロファイル、壁の厚さ、材質の変更の影響だけでなく、フレーム セグメントや接合部の位置などのトポロジーの変更の影響を評価する機能を提供します。 最終的にバス フレームの再設計となるこの最後の側面は、このプロジェクトには含まれませんでしたが、将来の設計演習でさらなる軽量化の可能性をもたらします。

このプロジェクトは、数百、あるいは数千ものデザインの代替案を検討することを目的としていました。 これには、ビームの理想化が適した効率的な解析方法が必要でした。 実現可能なコンセプトが特定されると、シェル要素メッシュを使用してその構造的完全性を検証したり、局所的な詳細にさらに注意を払って最適化プロセスを継続したりできます。

図 2 で強調表示されているように、FCM を使用すると、同じ 3 次元幾何学 CAD モデルからビーム メッシュとシェル メッシュの両方を同時に抽出できます。また、おおよその解析時間も示されており、衝突解析ではビーム メッシュの方がシェル メッシュよりも約 1,000 倍高速です。精度が大幅に低下します。 これにより、ステップを何度も繰り返す必要がある場合に、時間を大幅に節約できます。

シミュレーション プロジェクトは、図 3 に示す一般的なリファレンス バス モデルに基づいていました。設計は公開されている表現に基づいて構築されていますが、特定のメーカーのバスを表すのではなく、「典型的」であることを目的としています。 全長は約 14 メートルで 3 つの車軸があり、乗客 63 名と運転手 2 名を乗せることができ、総重量は 20,800 kg になります。

設計変数の数を制限するために、フレーム メンバーは、図 3 の異なる色で示されている 13 のグループに配置されました。 各グループの構造部材は、設計選択肢ごとに同時に分析されました。

モデルは、炭素鋼とステンレス鋼の 2 つの代替構造材料を使用して、次の 4 つの荷重ケースの下で解析されました。

図 4 は、非常に多数 (数千) の実験によるシミュレーションの結果を示しています。

リファレンス ケースは、総重量 3,600 kg の炭素鋼 (S460) のみからなる純粋なフレーム構造に基づいています。 この場合でも、最適化により 116 kg の軽量化が実現しました。 炭素鋼をステンレス鋼 (Forta H800) に完全に置き換えることにより、構造の質量が 3 分の 1 に減少し、1,193 kg が節約されました。 ロールオーバー シミュレーションからの重要な発見は、チューブの壁の厚さを 4 mm から 2 mm に減らすことができ、これが重量削減の大部分を占めているということでした。

次にプロジェクトは、両方のタイプの鋼を特徴とするハイブリッド構造による最適化戦略の検討に移りました。 2 つの代替案が検討されました。 1 つ目は、最も明らかなことですが、最上位のメインフレームに Forta H800 を使用することでした。 最上位のメインフレームが S460 で構築された場合に何が起こるかを観察することも興味深いものでした。

S460 のみの設計と比較した場合、重量削減は非常に大幅です。S460 が上部メインフレームに使用されている場合は 25 %、上部セクションの大部分が Forta H800 で作成されている場合は 35 % です。 潜在的な重量削減は約 1,300 kg です。

さらに重要な要因は、構造を作成するために必要な溶接の量が 50 % 以上削減されたことです。 また、興味深いのは、重心 (COG) がわずかに下がっていることであり、これはドライビングダイナミクスにとって有益です。

図 5 は、フレーム材質の変更によるコストへの影響を示しています。 さまざまな鋼の相対コストは時間の経過や市場の状況に応じて変化する可能性があるため、Forta H800 のコストを S460 と比較して 2、2.5、および 3 倍にするために 3 つの要素が使用されました。

たとえ係数 3 であっても、軽量化はハイブリッド構造のコストが S460 のみの構造と同等であることを意味します。一方、係数 2 では、ハイブリッド設計により材料コストが 18 % 向上します。 この分析では、純粋な材料コストのみが比較され、軽量設計や製造時のエネルギー消費などの追加の側面は考慮されていません。

シミュレーションプロセスをさらに改良するための作業が進行中です。 材料、断面、壁の厚さ、接合位置など、より多くの変数を調査する余地もあります。 これにより、バス構造の完全な再設計が可能になります。

製造技術の影響も、今後の研究で考慮すべき重要な要素です。 たとえば、疲労荷重下での溶接継手の性能は、接合プロセスを改良し、溶接シームを最も応力がかかる領域から遠ざけることで大幅に改善できます。 これにより、断面や壁の厚さをさらに減らす可能性さえも得られます。 ここで詳述する同じシミュレーションが、洗練された接合プロセスを含めて実行された場合、炭素鋼とステンレス鋼の構造間の違いはさらに顕著になる可能性があります。

バス業界は、そのアプローチが非常に伝統的であり、新しい素材の採用に慎重であることで知られています。 しかし、運輸業界は一般に、脱炭素化へのプレッシャーがますます高まっています。 そのため、現在、純粋な電気またはハイブリッド牽引に適した新世代の車両の開発という点で、変化のペースが強制されています。 エネルギー効率はその成功にとって極めて重要であり、そのためには新しい軽量構造方法の採用が必要です。

これまでに実施されたシミュレーションにより、ステンレス鋼には、性能を損なうことなく車両重量を大幅に削減できる大きな可能性があることが実証されています。

このプロジェクトでは、重量とコストの両方で利点があるハイブリッド バス フレーム構造の一部としてステンレス鋼を最適に使用できる可能性があることも示しました。