Análise da vida em fadiga de uniões soldadas de perfis de paredes finas sujeitos a carregamentos através de análises comparativas

Abstract

Projetos de estruturas de carrocerias de ônibus devem ser desenvolvidos levando em consideração os carregamentos dinâmicos que este tipo de veículo é submetido. Para realizar avaliações da sua vida em fadiga podem ser empregados métodos experimentais e numéricos a fim de determinar a durabilidade destes veículos. Tais estruturas são basicamente construídas utilizando perfis de aço de paredes finas que frequentemente são superdimensionadas devido ao desconhecimento de diversas características do produto como as condições de uso dos mesmos, falta de caracterização das uniões soldadas e a qualidade de seus materiais. Aliado a isso o sistema rodoviário brasileiro conta com diversos tipos de vias, apresentando trechos em boas condições de conservação até trechos em condições precárias ou praticamente inexistentes. Além desse fator, as normas de segurança veicular vêm intensificando seus requisitos exigindo cada vez veículos mais seguros. Com isso em mente, as empresas fabricantes de carrocerias de ônibus estão investindo em estruturas mais duráveis, eficientes e seguras, fomentando a busca pelo desenvolvimento de produtos melhores e mais competitivos. Este trabalho objetivou realizar análise da vida em fadiga de alto ciclo em uniões soldadas de perfis metálicos de paredes finas utilizadas em estruturas de ônibus sujeitos a carregamentos dinâmicos, avaliando comparativamente o uso de três matérias primas diferentes, para compreender quais são os impactos de substituir os materiais já utilizados por materiais com melhores propriedades mecânicas a fim de produzir estruturas com melhor desempenho estrutural no quesito segurança veicular. Este trabalho iniciou com o estudo para compreender a real aplicação de veículos de transporte de passageiros rodoviários, sendo que para realizar esta tarefa foi elaborado um procedimento experimental que englobasse as principais rotas utilizadas por estes veículos e, através de aquisição de dados experimentais foi possível encontrar os carregamentos que atuam nestas estruturas. Com os resultados obtidos através de sensores foi possível compreender os carregamentos que as vias produzem na estrutura do veículo e a partir destes dados elaborou-se um ensaio de bancada para representar a aplicação real do veículo. Os dados de campo foram inseridos no modelo matemático e através dele foi possível encontrar as forças e carregamentos para ser aplicada a junta soldada escolhidos como objeto de estudo para realizar o ensaio de fadiga experimental de bancada. Foram avaliadas três matérias primas diferentes, sendo duas delas comumente utilizadas em carrocerias de ônibus e um terceiro aço, bifásico laminado a frio, com limite de ruptura mínimo de 980 MPa, como uma microestrutura que consiste em ilhas martensíticas numa matriz ferrítica comercialmente chamado de DP980. Os materiais foram submetidos a diversos experimentos e baseado nos resultados encontrados é possível concluir que o aço DP980 substitui de forma muito superior os outros materiais. É também possível afirmar que utilizando o material DP980, por ter propriedades mecânicas superiores aos outros, é possível desenvolver estruturas mais eficientes no quesito de segurança veicular, onde este material apresenta uma capacidade de absorção de energia maior que os outros, permitindo que sejam projetadas estruturas mais seguras.

Projects of bus body structures must be developed taking into consideration the dynamic loads that this type of vehicle is subjected to. Experimental and numerical methods can be used to evaluate fatigue life in order to determine the durability of these vehicles. Bus structures are basically constructed using welded thin walled profiles that are often oversized due to the lack of knowledge of several product characteristics such as the conditions of the pavements, deficiency of characterization of welded joints and the quality of the materials used. Allied to this the Brazilian road system counts on several types of roads, presenting roads in good conditions of conservation until roads in precarious conditions with extremely high severity. In addition, vehicle safety standards have been intensifying their requirements. With that in mind, bus body manufacturers are investing in research to produce more durable, efficient and safe buses, expanding the search through engineering tools to develop better and more competitive products. The aim of this work was to analyze high cycle fatigue life of welded joints of thin-walled profiles used in bus structures subject to dynamic loads, comparing the use of three different raw materials to understand the impacts of the replacement of the materials already used in these structures for materials with better mechanical properties in order to produce structures with better structural performance in terms of vehicular safety. This work began with the study to understand the real application of coaches. To perform this task was elaborated an experimental procedure that encompasses the main routes used by these vehicles, and through the acquisition of experimental data it was possible to evaluate the real loads that this kind of structures are submitted to. With the results obtained through the sensors it was possible to understand the loads that the roads produce in the structure of the vehicle and from these data a laboratory test was elaborated to represent the real application of the vehicle. The data acquired were inserted into the numerical model and through them it was possible to find the forces and loads that were applied to the welded joint that was chosen as object of study to perform the experimental fatigue test. Proof bodies were elaborated to represent the real application of the vehicle, those were produced using three different raw materials, two of them commonly used in bus bodies structures and a third steel, dual-phase cold-rolled, with a minimum rupture limit of 980 MPa, with a microstructure that consists of martensitic islands in a ferritic matrix, commercially called DP980. commercially called DP 980. The materials were submitted to several experiments and based on the results of the tests it is possible to conclude that DP 980 present a better performance than the others. This material has presented a fatigue life more than two times higher than the others for the same conditions. It was also possible to assure that, using DP 980 steel, it is possible to develop safer structures for buses, because this material has higher mechanical properties and greater capacity to absorb energy when compared to the others.