Theoretical and experimental study of the fatigue behavior of large passenger transport vehicles under dynamic operating loads

Resumen

Los vehículos automóviles de grandes dimensiones destinados al transporte de pasajeros por carretera lo constituyen en su mayoría los autobuses y autocares. Las estructuras de estos vehículos están sometidas a cargas variables en el tiempo durante su funcionamiento, lo que provoca que la fatiga sea su principal causa de fallo, y por tanto el criterio más restrictivo en su diseño. La gran mayoría de estas estructuras están compuestas de perfiles tubulares soldados, por lo que el inherente fenómeno de concentración de deformaciones, asociado al cordón de soldadura creado durante este proceso, facilita el inicio de grieta precisamente en esta zona. Por ello, un diseño optimo de estas estructuras está directamente vinculado a un análisis de fatiga preciso. Para poder analizar de forma fiable el comportamiento a fatiga de cualquier componente o sistema, es de vital importancia disponer de una caracterización precisa y representativa de las cargas que sufre durante su funcionamiento, así como conocer su comportamiento resistente frente a dicho fenómeno. En este sentido, el desarrollo creciente de las técnicas de cálculo mediante elementos finitos suponen un avance importante en el diseño y calculo a fatiga, ya que permiten adelantarse a posibles fuentes de fallo en las fases iniciales de diseño. El modelado de estructuras de vehículos de grandes dimensiones de transporte de pasajeros se realiza habitualmente de forma simplificada mediante elementos tipo viga, que permiten obtener resultados satisfactorios del comportamiento global de la estructura con un bajo coste computacional. No obstante, este tipo de modelos presentan ciertas limitaciones; entre ellas la incapacidad de reproducir el comportamiento tensional de las uniones soldadas de los perfiles, de vital importancia en un análisis a fatiga. Dentro de este escenario, el principal objetivo de esta tesis es el desarrollo de una metodología de predicción de vida a fatiga de estas estructuras precisa, capaz a su vez de salvar el compromiso existente entre precisión y complejidad en el cálculo. Con este fin, se llevó a cabo en primer lugar una caracterización de las cargas dinámicas de funcionamiento de autobuses y autocares. Las aceleraciones longitudinales y laterales fueron obtenidas a partir del procesado de datos de posición obtenidos con un sistema de posicionamiento GPS, instalado en 10 vehículos diferentes y registrando más de 600 horas de funcionamiento. En el caso de las aceleraciones verticales, se utilizó un acelerómetro para poder captar las mayores frecuencias a las que ocurren estas solicitaciones. Por otro lado, se desarrolló un plan de ensayos con la finalidad de caracterizar el comportamiento estructural y a fatiga de las uniones soldadas que componen estas estructuras. Estos estudios permitieron determinar las características resistentes del material afectado térmicamente por la soldadura, obtener una curva de deformación frente vida a fatiga de uniones soldadas típicas en autobuses y autocares, y caracterizar los fenómenos de concentración de deformaciones en estas uniones. El proceso de caracterización de deformaciones en las proximidades de la unión soldada se llevó a cabo mediante la técnica de correlación de imágenes digitales (del inglés, 'Digital Image Correlation', DIC), que permite la obtención de mapas de deformación completos sobre el área de enfoque de las cámaras utilizadas. Esta información fue utilizada para la construcción y validación de un modelo de elementos finitos capaz de reproducir de forma precisa estos mapas de deformación así como las máximas deformaciones sufridas por las uniones, que es donde se espera que aparezca la grieta de fatiga. Pese a la alta precisión conseguida en estos modelos de detalle, la construcción de una estructura completa con este tipo de modelos se hace prácticamente inviable debido a su complejidad. Para salvar esta limitación, se establecieron una serie de modelos regresivos para establecer una correlación entre las deformaciones máximas obtenidas con estos modelos, y las obtenidas con modelos simplificados que utilizan elementos tipo viga. Esta correlación se llevó a cabo sobre un total de 2304 uniones soldadas diferentes, correspondientes a diferentes posibles uniones presentes en estructuras de autobuses y autocares. Finalmente, se estructuraron los resultados obtenidos en los diferentes ensayos y cálculos, para el desarrollo de una rutina capaz de predecir el comportamiento a fatiga de modelos de estructuras de autobuses y autocares modeladas mediante elementos tipo viga. Esta rutina logra desvincular el compromiso entre precisión y coste computacional: por un lado, consigue una elevada precisión debido a la aplicación de condiciones de carga realistas, a una caracterización del comportamiento a fatiga de las uniones soldadas, y al algoritmo de correlación de máximas deformaciones entre modelos de detalle y simplificados. Por otro lado, mantiene un bajo coste computacional debido a la utilización de modelos simplificados para la simulación de la respuesta de las estructuras. ABSTRACT Heavy duty vehicles for passenger transport are mostly constituted by buses and coaches. The structures of these vehicles are subjected to variable loads over time during their operation, causing fatigue to be their main cause of failure, and thus the most restrictive criterion in their design. The great majority of these structures are composed of welded tubular profiles, so the inherent phenomenon of strain concentrations, associated with the weld bead created during this process, facilitates the crack initiation precisely in this zone. Therefore, an optimum design of these structures is directly linked to a precise fatigue analysis. In order analyze the fatigue behavior of any component or system accurately, it is of vital importance to have a precise and representative characterization of the loads that it undergoes during its operation, as well as to know its resistant behavior against this phenomenon. In this sense, the increasing development of finite element calculation techniques supposes an significant improvement in fatigue oriented design and analysis, since they allow to anticipate possible sources of failure in the initial design phases. The modeling of structures of large passenger transport vehicles is usually carried out in a simplified way by means of beam type elements, which allows to obtain satisfactory results of the overall behavior of the structure with a low computational cost. However, this type of model has certain limitations; among then the inability to reproduce the tensional behavior of the welded joints of the profiles, of vital importance in a fatigue analysis. In this scenario, the main objective of the thesis is to develop an accurate fatigue life prediction methodology of these structures, capable to overcome the existing compromise between precision and complexity in the calculation. To this end, a characterization of the dynamic loads of buses and coaches was carried out. The longitudinal and lateral accelerations were obtained by processing instant position data obtained with a GPS positioning system, installed in 10 different vehicles and recording more than 600 hours of operation. In the case of vertical accelerations, an accelerometer was used to capture the higher frequencies at which these events occur. Additionally, a test plan was developed with the purpose of characterizing the structural and fatigue behavior of the welded joints that compose these structures. The studies carried out allowed to determine the resistant characteristics of the heat affected zone, obtain a strain to life curve of typical welded joints in buses and coaches, and also to characterize the strain concentration phenomena in these joints. The process of characterization of strain concentrations in the vicinity of the welded joint was carried out by means of the Digital Image Correlation (DIC) technique, which allows obtaining a complete deformation field over the region of interest. This information was used for the construction and validation of a detailed finite element model capable of accurately reproducing the deformation distributions as well as the maximum deformations suffered by the joints, which is where the fatigue crack is expected to start. In spite of the high precision achieved in these detailed models, the construction of a complete structure with such models becomes practically unfeasible due to its complexity. In order to overcome this limitation, a series of regressive models were configured in order to establish a correlation between the maximum deformations obtained with these models and those obtained with simplified models using beam-type elements. This correlation was carried out on a total of 2304 different welded joints corresponding to different possible configurations present in structures of buses and coaches. Finally, the results obtained in the different tests and calculations were structured to develop a routine for predicting the fatigue behavior of bus and coach structures modeled using beam type elements. This routine is able to unlink the compromise between precision and computational cost: on the one hand, it achieves high precision due to the application of realistic load conditions, a characterization of the fatigue behavior of the welded joints, and the correlation algorithm of maximum deformations between detailed and simplified models. On the other hand, it maintains a low computational cost due to the use of simplified models for the simulation of the response of the structures.