Universidade de Brasília - UnB Faculdade UnB Gama - FGA Curso de Engenharia automotiva Simulação quasi-estática de assento veicular dianteiro

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1 Universidade de Brasília - UnB Faculdade UnB Gama - FGA Curso de Engenharia automotiva Simulação quasi-estática de assento veicular dianteiro Autor: Paulo Guilherme Marques Flávio Orientador: Rita de Cássia Silva Co-orientador: Alessandro Borges de Sousa Oliveira Brasília, DF 2014

2 Paulo Guilherme Marques Flávio Simulação quasi-estática de assento veicular dianteiro Monografia submetida ao curso de graduação em engenharia automotiva da Universidade de Brasília, como requisito parcial para obtenção do Título de Bacharel em engenharia automotiva. Orientador: Dra. Rita de Cássia da Silva Brasília, DF 2014

3 CIP Catalogação Internacional da Publicação* M. Flávio, Paulo Guilherme. Título da Monografia: Simulação quasi-estática de assento veicular dianteiro / Paulo Guilherme Marques Flávio. Brasília: UnB, p. : il. ; 29,5 cm. Monografia (Graduação) Universidade de Brasília Faculdade do Gama, Brasília, Orientação Rita de Cássia da Silva. 1. Palavra Chave. 2. Palavra chave. 3. Palavra chave3 I. Sobrenome do orientador, Nome do orientador. II. Título. CDU Classificação A ficha catalográfica oficial deverá ser solicitada à Biblioteca pelo aluno após a apresentação.

4 REGULAMENTO E NORMA PARA REDAÇÃO DE RELATÓRIOS DE PROJETOS DE GRADUAÇÃO FACULDADE DO GAMA - FGA Nome Autor Sobrenome Autor Monografia submetida como requisito parcial para obtenção do Título de Bacharel em engenharia automotiva da Faculdade UnB Gama - FGA, da Universidade de Brasília, em (data da aprovação 26/11/2014) apresentada e aprovada pela banca examinadora abaixo assinada: Prof. Dra: Rita de Cássia Silva, UnB/ FGA Orientador Prof. Dr.: Alessandro Borges de Sousa Oliveira, UnB/ FGA Co-orientador Prof. Dr.: Edison Gustavo Cueva Galarraga, UnB/ FGA Membro Convidado Prof. Dr.: Rodrigo Arbey Muñoz Meneses, UnB/FGA Membro convidado

5 Brasília, DF 2014

6 Esse trabalho é dedicado à minha família e a todos que de alguma forma participaram de alguma para a minha construção pessoal e profissional durante meu caminhar.

7 AGRADECIMENTOS Em Primeiro instante gostaria de agradecer à minha base, minha família, por sempre estarem me apoiando nos meus passos e decisões. Agradeço também a todos os professores que participaram para o meu crescimento tanto profissional quanto no âmbito do conhecimento. Um agradecimento especial à minha orientadora por me auxiliar neste momento final da minha graduação.

8 Le fou est désormais tout à fait libre, et tout à fait exclu de la liberté. Jadis il était libre pendant l instant ténu où il se mettait à perdre sa liberté, il est libre maintenat dans le large espace où il l a déjà perdue.

9 RESUMO Este trabalho tem por objetivo a análise de um banco dianteiro de um veículo de passeio, quando este é submetido a uma colisão traseira. Esta, como primeira etapa deste projeto, tem-se uma modelagem dos componentes constituintes de um sistema de banco veicular com a utilização do software comercial CATIA. Questões acerca de simplificações na modelagem assim como maneira de tratar um determinado componente serão realizadas a fim de que menores esforços computacionais sejam necessários. Não menos importante, ter-se-á uma definição das condições externas impostas ao sistema do banco, simulando uma colisão traseira, seguindo o descrito em normativas tanto brasileiras quanto americanas. Ressalta-se que com a aplicação de tal esforço estabelecido em normas, a posição pré-determinada do banco e do cinto pode não ser garantida, colocando em risco a segurança dos ocupantes deste veículo. Um primeiro contato com o software comercial ANSYS será realizada com o intuito de introduzir uma primeira visão do software de análise em elementos finitos (MEF). A sequência da utilização do software CAE (Computer-aided engineering) se dará com o intuito de obtenção de valores de deslocamentos, tensões e deformações no banco, sendo que, um maior enfoque se dará nos elementos de ligação, como por exemplo, a ancoragem do banco junto ao assoalho do veículo. Palavras-chave: Modelagem, banco, ancoragem, elementos finitos,

10 RESUME Ce travail a pour objectif l analyse d un siège avant d un véhicule particuier quand il subit une collision par l arrière. La première partie de ce projet envisage la modélisation des composants qui constituent le système d un siège de voiture avec l utilisation d un software commercial CATIA. Des questions sur les simplifications dans la modélisation aussi comme la manière de traiter la façon dont chaque composent sera réalisé pour réduire des effort computationnelle. Il n est pas moins important de définir des conditions externes imposées au système du siège en sumulant une collision à l arrière realisée dans le respect des normes bresiliennes et américaines. Surtour, après application de cet effort déterminé par les normes, la position pré-déterminé du siège et de la ceinture peut ne pas être garantie, ce qui peut compromettre la sécurité des passagers du véhicule. Un premier contact avec le software ANSYS est réalisé avec but d avoir une première vision d un software d analyse en éléments finis(mef). Tout de suite il aura lieu l utilisation d un software CAE( Computer-aided engineering) avec but d obtenir des valeurs de déplacement, tensions et déformations du siège. L analyse sera plus importante sur les éléments de connexion, comme par exemple, la connexion entre le siège et le sol de la voiture. Keywords: Modélisation, siege, connexion, elements finis.

11 Lista de Ilustrações

12 SUMÁRIO

13 11 CAPÍTULO 1 INTRODUÇÃO 1.1 Contextualização Embora, atualmente os veículos sejam mais seguros do que já foram há algumas décadas atrás; fatores que contribuem para acidentes fatais, lesões graves, assim como defeitos de funcionamento que gerem riscos à saúde e a segurança dos ocupantes com menor gravidade são ainda passíveis de ocorrer. De fato, as principais causas de ocorrências desses episódios encontram-se: na condução desatenta e não defensiva; a falta de uso de itens de segurança, más condições das estradas; colisões (crashes) e falhas inadvertidas de componentes automotivos. Dessa forma características do projeto estrutural do veículo, assim como os itens de segurança ativa e passiva disponíveis são fatores indicativos, que permitem avaliar o quão seguro os ocupantes desse veículo estão. Nesse contexto o assento veicular equipado com cinto de segurança e apoio de cabeça tem um papel vital na restrição, posicionamento e amortecimento dos ocupantes no momento de uma colisão. O assento veicular além de ser um elemento de relevância, no que tange o conforto, estética, ergonomia, entre outros fatores é o equipamento primário que permite que o motorista/passageiro utilize o veículo. Em determinadas situações, qualquer que seja a solicitação submetida ao veículo, seja por sua utilização usual (trafegar em vias públicas), seja por algum evento fortuito (colisões de qualquer gravidade), uma das formas de transferência desses efeitos ao ocupante ocorre pelo assento. Os assentos veiculares, normalmente são fixados ao assoalho desses através de um sistema de ancoragem, que segundo a NBR 15283:2005 define-se como: sistema através do qual o conjunto do banco é fixado à estrutura do veículo, incluindo partes afetadas da estrutura do veículo. Falhas presentes no sistema de ancoragem do assento do motorista, por exemplo, podem comprometer de forma decisiva a dirigibilidade. Por essa razão, o presente trabalho se interessará por

14 12 falhas no sistema de ancoragem no assento desse ocupante, sendo considerados, assim, os níveis de tensão nesses elementos. Tem-se, então, um estudo preliminar que consiste na simulação numérica de um ensaio dinâmico prescrito na NBR 15283:2005 de um assento veicular dianteiro ocupado pelo motorista. O modelo numérico será desenvolvido em software comercial ANSYS, o qual será mais bem descrito na fase 2 desse projeto. Várias normativas são propostas com objetivo maior de oferecer ao usuário níveis de segurança adequados. Entre elas podem-se citar, o CONTRAN (Departamento Nacional de Trânsito), com a norma ABNT NBR presente na legislação brasileira, A FMVSS (Federal Motor Vehicle Safety Standards and Regulations), normativa americana para verificação da segurança de vários componentes veiculares, entre eles a ancoragem do banco junto ao assoalho do veículo. Tais legislações serão tratadas no decorrer desse trabalho mais especificamente no subitem 2.4 normativas e leis. 1.2 Justificativa A segurança de todos os ocupantes de um veículo configura objetivo principal de qualquer normativa que trate do assunto. No entanto, considerando-se que o condutor é o responsável por colocar o veículo em movimento e, tomando-se que falhas em seu assento podem vir a comprometer a vida de todos os passageiros; o dimensionamento desse equipamento e elementos de ancoragem pode ter por referência o banco dianteiro do motorista. Cabe ressaltar que, em serviço, falhas podem ocorrer com assentos de qualquer posição. Assim, o estudo dos níveis de tensão nos elementos de ancoragem do assento do motorista justifica-se com o intuito de se verificar preliminarmente, fato ocorrido com um consumidor de um determinado veículo. O referido consumidor afirma que após colisão ocorrida, ele percebeu que o assento apresentava rumosidade assim como desconforto ao dirigir. Segundo o relato do cliente em questão, o inconveniente foi verificado primeiramente quando trafegava por uma via denominada Ladeira do Jacaré, uma via secundária em aclive com estacionamento ao longo da mesma. Em relatório consta o seguinte esclarecimento:... não se tratar de uma via de trânsito rápido ou arterial,... a velocidade empreendida não é elevada, situando-se

15 13 entre 30 km/h e 40 km/h, segundo o Código de Trânsito Brasileiro ART. 61. Tal frase explicita a situação no momento da percepção pelo usuário das mudanças ao dirigir. Com base no exposto acima o trabalho em questão vem contribuir, a partir do desenvolvimento de modelo numérico de um assento veicular submetido a esforço dinâmico, conforme descrito em norma (NBR 15283:2005). Tal impacto pode ser comparado ao efeito de uma colisão. Isto permitirá verificar a resposta dos elementos de ancoragem do banco à solicitação efetuada. Cabe ressaltar que avaliações numéricas ainda que demandem mais tempo para construir o objeto analisado, normalmente, são menos onerosas que verificações experimentais, além de permitir em um primeiro momento uma melhor compreensão do fenômeno a ser analisado. Para tal fim, decide-se que as avaliações numéricas devem respeitar o melhor possível a realidade física do que será analisado. 1.3 Objetivo O objetivo principal deste trabalho é simular numericamente a resposta de um banco veicular, quando este é submetido a força oriunda de uma colisão traseira. Os resultados obtidos serão de importância para a análise dos níveis de tensão, deslocamentos e deformações de todo o sistema analisado. No entanto, maior importância se dará nos pontos de ancoragem já que são pontos primordiais para que se mantenha a dirigibilidade do veículo. Para tal fim há o estabelecimento de uma metodologia numérica de avaliação de esforços em componentes de bancos automotivos, sobretudo no sistema de ancoragem, utilizando software de análise em elementos finitos. Simplificações do sistema serão tomadas com o intuito de que se tenha menor esforço computacional mantendo-se a mesma qualidade de análise efetuada, ou seja, tais simplificações não influem no resultado físico obtido. A fim de que a análise numérica seja coerente com o ocorrido tem-se a utilização de normas que regem a verificação da qualidade de sistemas de ancoragens de bancos veiculares. A análise experimental descrita em tais normativas será seguida durante a análise numérica para que os resultados obtidos sejam coerentes com o estabelecido em norma.

16 Organização do trabalho A fim de facilitar e mostrar ao leitor o que será tratado durante o decorrer deste trabalho, decide-se neste item esclarecer a questão da organização presente. No Segundo Capítulo tem-se a revisão bibliográfica do trabalho. Nela serão introduzidas, primeiramente, questões gerais acerca de bancos veiculares e, posteriormente, questões relacionadas ao tipo de modelagem e normas vigentes para a verificação do sistema de ancoragem de um banco. É apresentado no capítulo 3 deste trabalho a metodologia utilizada para o desenho do banco com a utilização de um software CAD assim como os desenhos obtidos. Posteriormente, questões acerca da conexão entre os componentes modelados são tratadas. Por fim há-se um primeiro contato com o software CAE ANSYS com a importação do que foi modelado no software comercial CATIA. Como último ponto tratado neste trabalho, temos que o capítulo de perspectivas futuras trata acerca da continuidade deste trabalho, ou seja, descreve quais expectativas tem-se para o trabalho de conclusão de curso 2.

17 15 CAPÍTULO 2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA Neste capítulo de revisão bibliográfica será apresentada a parte teórica de importância para o desenvolvimento do trabalho em questão. Utilizando para tanto, bibliografias que tratam do assunto referente e que possam ampliar o entendimento de questões acerca do tema tratado. Em primeiro ponto tem-se a questões acerca de um projeto de banco veicular dianteiro assim como os componentes que o compõem, detalhando-se especificamente cada um deles na seção 2.1. Passada tal etapa um embasamento sobre a escolha do tipo de elemento finito e o porquê de utilizá-lo é feita na seção 2.2. Em seguida, é mostrado ao leitor as vinculações presentes entre o sistema do banco veicular e o assoalho, buscando-se a correlação com o que será realizado numericamente. Por fim, na seção 2.4, apresentam-se as leis e normas vigentes para análises de bancos veiculares e que serão utilizadas na análise numérica. 2.1 Componentes de um assento veicular dianteiro Um assento veicular tem por principal característica dar suporte ao usuário durante a locomoção do veículo e agir de forma a assegurar a segurança de todos os ocupantes. Vários são os fatores que podem ocasionar problemas no sistema de ancoragem do banco junto ao assoalho do veículo, problemas que se presentes ocasionam situações não desejadas, como por exemplo, a perda da dirigibilidade e a falta de estaticidade do banco. Verificando-se a importância do banco veicular no conjunto automóvel, vê-se a necessidade de bons projetos, a fim de que problemas envolvendo tal componente possam evitados, não colocando, portanto, a segurança veicular em questão. O banco de um veículo apresenta características relevantes que se referem tanto às questões estéticas quanto às questões ergonômicas. Um assento é desenhado e projetado para atender a maior gama de usuários possíveis. Levando

18 16 em consideração, como por exemplo, questões ergonômicas de uma determinada nacionalidade. (Verver, 2004) Um bom assento veicular deve atender aos seguintes parâmetros, para que seja considerado como adequado (Bauet et al,1996) : Suportar as distribuições de pressão quando um usuário está sentado (Fig. 1) Figura 1. Exemplificação de distribuição de pressão em um banco. Fonte: (Verver,M., 2004) Suportes nas laterais do assento também conhecidas por bananas laterais (importante quando se faz uma curva com o veículo) (Fig. 2); Figura 2. Suportes laterais em banco automotivo. Fonte: (Killino Firm, 2014)

19 17 Possibilidade de ajustes da inclinação do encosto, ajuste proximidade do banco que facilite o contado dos pés aos pedais do veículo assim como ajuste do apoio da cabeça. Consideração no projeto de questões vibracionais e de amortecimento, tendose como base, manter-se distante das frequências naturais que o assento está submetido. Atualmente, há a presença de diversas maneiras de constituição/arranjo de bancos veiculares, sendo a parte estrutural a maior diferenciadora dos bancos presentes no mercado. No entanto, grande parte das montadoras utiliza para tanto uma estrutura metálica, sistema de molas, trampolins, e espuma. Cada qual tem um papel no sistema como um todo. Levando em consideração fatores estruturais, dissipação de energia, estética, entre outros fatores. Tais elementos serão tratados a seguir.( Wirotrattanaphaphisan, K., 2007) Estrutura Metálica A estrutura metálica de um banco se refere à sua parte estrutural. É este sistema que provê a conexão do assento junto ao assoalho do veículo por meio de sistemas de ancoragens (Haan, 2002), que nada mais são que vinculações entre o assoalho e o banco. Tal conexão deve ser segura o suficiente, a fim de que falhas não venham a ocorrer devido a situações adversas como um choque entre veículos, por exemplo. Por tal razão é importante que a parte estrutural seja projetada a fim de que suporte uma determinada carga. Valor de carga que é regida por normativas, algo que será tradado no subitem 2.7 com mais detalhes. A parte metálica é ainda de grande importância para a ligação junto à espuma, que é um importante componente quando se trata questões ligadas à dissipação de energia, algo que será tratado posteriormente no item 3.2. A seguir, a Figura 3 ilustra a estrutura metálica de um assento veicular, ressaltando-se que tal estrutura metálica varia de acordo com o assento verificado.

20 18 Figura 3. Parte estrutural de um banco veicular Trampolins e Molas Os trampolins são componentes que se encontram tanto na parte do assento, quanto na parte do encosto do banco. Na parte referente ao assento do banco, os trampolins estão configurados de forma que haja uma conexão direta junto à parte estrutural em uma de suas extremidades e uma ligação intermediada por molas em sua outra extremidade, como se pode verificar na figura 4. Para a parte do encosto a configuração dos trampolins se dá por conexões intermediadas por molas em ambos os lados, como ilustrado na figura 5.

21 19 Figura 4. Molas e trampolins presentes no assento.

22 20 Figura 5. Molas e trampolins presentes no encosto. As molas têm o papel de conexão entre os componentes como tratado logo acima. A utilização de molas se dá com o intuito de oferecer ao sistema uma maior flexibilidade juntamente com a presença da espuma Espuma A presença da espuma do assento tem por objetivo o suporte da área de contato do corpo do usuário junto ao banco. A disposição, quantidade e qualidade de espuma presente no assento influencia de forma decisiva tanto na qualidade, distribuição de tensões, quanto no

23 21 conforto oferecido ao usuário (Verver, 2004). É um componente de relativa complexidade geométrica para se desenhar em Software CAD devido às curvas presentes. A figura 6 logo a seguir evidencia a complexidade da superfície de uma espuma para uso em um banco veicular. Verifica-se na imagem os locais destinados tanto para os trampolins quanto para as molas. As duas figuras à esquerda são referentes ao assento do banco, enquanto as duas figuras à direita referenciam-se ao encosto. Figura 6. Componente de espuma. Fonte: (Haan, R., 2002) 2.2 Considerações gerais sobre a Modelagem em Elementos Finitos: seleção de elementos O método dos elementos finitos (MEF) está presente em vários âmbitos da Engenharia. Na Engenharia de estruturas a utilização deste método tem por objetivo maior a determinação do estado de tensão e de deformação de um corpo com geometria qualquer sujeito a ações externas A utilização do método em elementos finitos é altamente difundida no âmbito da Engenharia nos dias atuais pela complexidade dos casos tratados. O uso das formulações básicas da Mecânica dos Sólidos é usual para geometrias bem

24 22 definidas e simples, no entanto, quando se há geometrias complexas a utilização de tais formulações não se faz eficaz. São várias as formulações matemáticas que têm como preceito a técnica de discretização de uma determinada superfície ou determinado volume, a fim de simplificar o tratamento do problema a ser resolvido. O método dos elementos finitos engloba todas estas formulações, cada qual sendo utilizada de acordo com a necessidade do que se deseja tratar. Entre elas pode-se citar: método dos resíduos ponderados, com a utilização de Galerkin, método de Rayleigh-Ritz e o método dos deslocamentos. (Zienkiewicz et al, 2006). Uma das questões de importância para a utilização das técnicas em MEF seria o conhecimento das questões acerca da escolha do tipo de elemento a ser utilizado para a discretização. São vários os elementos utilizados nas bibliografias, cada qual com uma utilidade. Pode-se citar como exemplos: elementos de treliça, de vigas, cascas, barras, sólidos, entre outros. Um dos fatores que mais os diferenciam seriam a quantidade de graus de liberdade que cada elemento possui, algo que influencia de forma evidente no esforço computacional para a resolução do sistema. (Moaveni, 1999) A escolha do tipo de elemento finito está diretamente vinculada ao esforço presente na situação analisada; propriedades do material constituinte, assim como questões relacionadas ao custo computacional. Este último, questões como o tipo de elemento escolhido e densidade da malha são os fatores que mais o influenciam. Outro fator que influi na escolha do tipo de elemento está ligado às simplificações feitas para análises, ou seja, tratar um certo elemento de forma bidimensional ou unidimensional ao invés de tridimensional, algo recorrente nesse trabalho ressalta-se, no entanto, que essa mudança na forma de tratamento não deve modificar a realidade do que está sendo analisado. (Moaveni, 1999) A escolha do tipo de elemento finito será feita especificamente par cada constituinte do banco a ser analisado. Os pontos a serem levados em consideração são estes tratados logo acima, a fim de que a escolha do tipo de elemento seja adequada para todas as análises a serem realizadas. Primeiramente, analisando-se a estrutura metálica do banco veicular temos que este sofre uma grande deformação advinda da utilização de um aço de baixo carbono como mostrado na figura 7. Há a necessidade, portanto, de se ter por escolha um elemento que ofereça esta característica. Outra questão de importância

25 23 para a escolha do tipo de elemento para a estrutura metálica seria que tal constituinte possa ser representado de forma bidimensional, em forma de casca. Pelos pontos tratados acima temos primeiramente que um elemento tipo Shell atende o necessário para que as análises a serem realizadas possam representar a parte estrutural de um banco veicular. (Moaveni, 1999) Figura 7. Curva tensão X Deformação, aço-carbono. Fonte: [1] Com a verificação da gama de elementos presente na biblioteca do software ANSYS vê-se a presença do elemento Shell43 Plastic Large Strain como tipo de elemento finito para a parte estrutural já que tal elemento é adequado para modelos lineares, superfícies encurvadas, estruturas de cascas, características presentes em tal componente. Tal elemento possui seis graus de liberdade em cada um dos seus 4 nós, ou seja, possui tanto deslocamentos como rotações nos seus eixos. Outro ponto relevante seria a característica de representação de plasticidade, fluência, estresse de enrijecimento, grande deflexão, assim como grande capacidade de deformação. Para os trampolins, temos que as tensões de maior importância serão tensões normais ao longo do seu eixo do componente. Isto ocasionado pelos esforços externos presentes nestes elementos, quando um usuário se senta.

26 24 Pelas características presentes logo acima temos que a utilização de um elemento tipo treliça se adequa de forma satisfatória para o caso analisado. Portanto, se faz a utilização do elemento LINK180 da biblioteca ANSYS, pelo fato de tal elemento ser utilizado para representações de estruturas treliçadas. Este elemento é analisado por deslocamentos nos três eixos ortogonais, com uma análise destinada à verificação das tensões de forma unidirecional, ou seja, ao longo do seu eixo longitudinal de simetria. De forma padrão, o elemento LINK180 inclui termos de rigidez para que as análises possam ser efetuadas de forma mais realística. Como último componente do assento veicular, temos a espuma. Tal componente é de maior complexidade geométrica quando comparada aos demais elementos. A espuma por possuir certa quantidade de ar entre as cavidades seria interessante de tratá-la de forma tridimensional, pois assim têm-se uma melhor visualização dos deslocamentos em todo o espaço. A fim de representar de maneira coerente teve-se por escolha que as propriedades da espuma do banco serão as mesmas do poliuretano, pelo fato de tal material possuir propriedades visco-elásticas e hiper-elásticas semelhantes às de bancos veiculares. (Haan, 2002) Para a composição da espuma de bancos veiculares há a presença principal de espumas flexíveis moldadas de poliuretano, que são produzidas por injeção, em um molde previamente preparado, composto de uma mistura de poliol formulado e um isocianato. Sendo o Poliol uma molécula que apresenta vários grupos de hidroxila(oh) nas extremidades de cadeias ligadas por grupos éter ou éster. Já o isocianato é um grupo químico que contém átomos de carbono, hidrogênio e oxigénio unidos por duplas ligações. (Pajon et al,1996) Espumas são usualmente utilizadas sobre compressão, mas é provável que a ocorrência de cisalhamento também esteja presente. O comportamento de uma espuma pode ser descrita como não linear e a taxa de deformação da mesma depende de características de dissipação de energia e de histerese do material constituinte. (Zhang et al,1999) Analisando a figura 8 tem-se que em pequenas deformações, estágio 1, o comportamento da espuma se aproxima ao linear elástico. No estágio 2 há uma região que a inclinação da curva varia de forma gradual, este estágio se refere ao colapso das células da espuma, onde o ar é gradualmente pressionado para fora

27 25 dela. No estágio 3, fase final de compressão, as células estão umas em contato com as outras, causando, portanto, um maior aumento da tensão. (Hann, 2002) Figura 8. Curva tensão-deformação componentes de espuma. Fonte: (Haan, R., 2002) No que se refere à escolha do tipo de elemento finito para a espuma, temos primeiramente como base de escolha a necessidade de que tal elemento seja de forma tridimensional, para que todas as características do material possam ser evidenciadas, sendo a principal delas, a variação da deformação pela tensão que é fomentada pela presença das cavidades como citado acima. Dentro da listagem dos possíveis elementos na biblioteca presente no ANSYS temos a utilização tanto de um elemento sólido hexaedro com oito nós quanto a utilização de um elemento sólido com 4 nós. Ambos os elementos são satisfatórios para utilizar como elemento de análise. No entanto, o elemento hexaedro dará à análise uma melhor aproximação pelo fato de possuir mais nós em seus elementos. Em contra partida, ter-se-á um maior esforço computacional se comparado com o elemento de quatro nós.

28 26 Componente: Tipo de Representação: Propriedades: elemento finito: Shell43 ρ=7800 kg/m3 Plastic E=200 GPa Estrutura metálica Large Strain Link 180 ρ=7800 kg/m3 E=200 GPa Trampolins/molas Combin14 Elemento sólido com 4 nós ρ=67,7 kg/m3 Espumas Elemento sólido hexaedro com 8 nós Tabela 1. Escolha dos tipos de elementos finitos.

29 27 A tabela mostrada logo acima evidencia a escolha preliminar dos tipos de elementos finitos que serão utilizados na modelagem do banco veicular. Ressalta-se, no entanto, que as especificações acima encontram-se respaldadas exclusivamente em revisão bibliográfica realiza, sendo assim alterações podem ocorrer no momento da modelagem e aplicação de esforços. 2.3 Vinculações/Restrições presentes no sistema banco e banco/assoalho. Vinculações são elementos que limitam a mobilidade estrutural, produzindo, portanto, reações vinculares e são classificadas de acordo com os graus de liberdade que restringem. No caso do banco veicular há o intuito de que não haja qualquer movimento durante a trajetória do veículo, ou seja, procura-se ter uma estaticidade do banco referente ao veículo, quando este está em movimento. A fim de representar as vinculações presentes no banco e no sistema de ancoragem do banco junto ao assoalho do veículo, a imposição de restrições em determinados pontos se faz necessário ao decorrer deste trabalho. Para melhor se visualizar as vinculações presentes no sistema de assento veicular temos a figura 9. Primeiramente pode-se verificar o sistema de ancoragem entre trilho do banco e o assoalho de veículo. Tais vinculações conferem ao sistema uma restrição dos deslocamentos em todos os eixos perpendiculares entre si, assim como restrições de qualquer rotação do sistema.

30 28 Figura 9. Sistema de ancoragem banco-assoalho. Ainda pela figura 9 pode-se verificar que há a presença dos pontos de fixação entre o trilho do banco e o assoalho do veículo. Pela figura pode-se verificar os 4 pontos de fixação, ilustrados pelos números 1, 2, 3 e 4. Tendo-se propósito conferir ao sistema um caráter hiperestático, ou seja, há mais restrição de graus de liberdade que o necessário para se manter a estaticidade do sistema. Outra vinculação de importância no conjunto do banco veicular, que também deve estar presente na representação numérica seria a vinculação entre o assento do banco e o trilho do banco, para melhor ilustrar tem-se a figura 10 abaixo. Este acoplamento permite o deslocamento com o intuito de permitir ajustes efetuados pelo usuário para um melhor alcance dos pedais do veículo, por exemplo. Quando as vinculações estão travadas impossibilitam-se movimentos de translação de ajuste, quando não travadas o assento corre sobre o corpo do trilho oferecendo ao usuário uma melhor localização do banco.

31 29 Figura 10. vinculação entre o assento e o trilho do banco. Por fim outra vinculação que estará presente no estudo numérico será aquela entre o assento e o encosto do banco. Esta vinculação permite variar a angulação entre tais partes com o intuito de que o banco melhor se adeque ergonomicamente ao usuário. Em um veículo em movimento espera-se que não haja variação de angulação durante o trajeto, assim como que não ocorram mudanças caso o veículo sofra algum acidente, como, por exemplo, uma colisão. Por tal razão, quando analisado numericamente há de se manter restrições de qualquer movimento. Para melhor ilustrar este local de vinculação tem-se a figura 11 mostrada logo a seguir, sendo m35 o local referente à vinculação tratada. Figura 11. Vinculação entre o assento e o encosto do banco. Fonte : (Thierry, R. 2014)

32 Normativas e leis para a ancoragem de banco veicular A fim de regulamentar e manter uma determinada qualidade dos produtos há a presença de normas e leis que estabelecem o mínimo de um produto para que ele seja adequado para ser comercializado. Não diferente, há normativas presentes no meio automotivo que têm o intuito de estabelecer os requisitos dos bancos veiculares. Bancos veiculares devem atender o mínimo exigido em leis e/ou em normas para que possam estar presentes em veículos e manter a segurança dos ocupantes. No Brasil temos o CONTRAN, como foi citado no item 1.1 deste trabalho, órgão que regulamenta testes experimentais para a verificação da qualidade e segurança de bancos veiculares. Outro órgão também de importância para um estudo do nível de qualidade de um assento veicular seria a normativa americana FMVSS. Esta, igualmente ao órgão brasileiro CONTRAN, determina testes experimentais a fim de verificar a qualidade dos componentes veiculares. As análises feitas com a utilização do software ANSYS serão baseadas nas normativas tanto brasileiras quanto americanas para assentos dianteiros de veículos de passeio. Tais normas exemplificam e determinam como devem ocorrer testes experimentais para a verificação da ancoragem do assento junto ao veículo. Seguindo o escrito nas normativas, neste trabalho, ter-se-á uma aplicação numérica do exemplificado experimentalmente pela Norma Brasileira ABNT NBR (Veículos rodoviários automotores Resistência dos bancos, suas ancoragens e apoio de cabeça requisitos e métodos de ensaio) presente no CONTRAN. Tendo como propósito um estabelecimento dos requisitos para bancos, conjuntos de fixação assim como uma importância no que tange as instalações a fim de minimizar a possibilidade de falha pela aplicação de forças resultantes advindas de um impacto do veículo. Esta norma pode ser aplicada em uma vasta gama de veículos, sendo utilizada em veículos de passageiros, de passageiro multiuso, caminhões e ônibus, o que a enquadra como normativa a se utilizar ao decorrer do trabalho em questão. Pela Norma Brasileira ABNT NBR 15283:2005, a especificação geral para a aplicação de um ensaio de choque tem-se necessário que o encosto, caso ajustável, deve ser travado na posição que corresponde uma inclinação para trás, a mais

33 31 próxima possível de 25º a partir da linha vertical de referência do torso do manequim, no caso, o usuário. No que se refere à resistência da ancoragem do banco e dos sistemas de ajuste, travamento e deslocamento deixa claro que uma desaceleração longitudinal não menor que 20 g(20 vezes o valor da gravidade) deve ser aplicada durante um período de 30 ms de todo o conjunto montado no veículo. Ainda presente em tal normativa, podemos verificar no anexo F um gráfico que descreve a aceleração a ser imposta no sistema em dependência do tempo. A utilização de tal informação fornece uma maneira de aplicação da desaceleração a ser imposta a fim de se realizar análises acerca do conjunto de fixação. Como resultado tem-se, portanto, o nível de tensão nos elementos de ligação. Tal gráfico pode ser verificado na figura 12 logo abaixo, a fim de melhor visualizar a situação. Ainda na Norma Brasileira ABNT NBR 15283:2005 que está associada à normativa americana FMVSS 207 há de se ter uma angulação igual a 25º para o encosto traseiro em referência com o assento do banco. Figura 12. Aceleração X tempo Norma NBR Fonte: NBR 15283

34 32 Pela normativa FMVSS 207 (Norma Americana) tem-se ainda uma outra forma de simular numericamente colisões, nesta normativa tem-se que com a aplicação de uma força igual a 20 vezes a massa do banco analisado multiplicado pela aceleração gravitacional (9,81 m/s²) nenhuma falha no sistema de ancoragem deve ocorrer. O local de aplicação de tal força concentrada deve ter direção longitudinal para trás como evidenciada na figura 13 logo abaixo. Figura 13. Aplicação força concentrada norma FMVSS 207. Fonte: FMVSS 207.

35 33 CAPÍTULO 3 METODOLOGIA No terceiro capítulo deste trabalho, deseja-se mostrar ao leitor a metodologia adotada para uma construção do banco a ser modelado em CAD usando para tanto o software comercial CATIA e posteriormente questões referentes a um primeiro contato com um software CAE (Engenharia assistida por computador), sendo o ANSYS o software utilizado. No primeiro subitem, modelagem em Software CAD é apresentada as ferramentas escolhidas, técnicas e simplificações tomadas para o desenho no software CATIA. No item que o segue é mostrado ao leitor os desenhos obtidos do banco com a utilização do software para desenho. Após a etapa de desenhos em CAD parte-se para um trabalho em elementos finitos, por tal razão, no item 3.3 apresenta-se ao leitor a técnica escolhida para se trabalhar com diferentes elementos finitos em uma só análise. Por fim no item 3.4 se tratará a importação dos desenhos em CAD para o software ANSYS. 3.1 Modelagem em software CAD Tendo-se como referência o subitem 2.1 (Componentes de um assento veicular), onde os componentes do banco veicular a serem modelados foram apresentados, foram adotadas diferentes formas de modelagem em software CAD (CATIA V5) com o intuito de simplificar o assento modelado assim como se ter menor esforço computacional com a utilização do software ANSYS para análises subsequentes. No que se refere à estrutura metálica do assento, tem-se a utilização de uma modelagem com a ferramenta Solid, mostrada na figura 16. A parte estrutural do desenho se deu com a utilização de uma espessura medida com a utilização de uma régua milimetrada, com o intuito de se ter menores erros referentes à medição. Verificando que o valor da espessura é bem menor se comparado com o resto da geométrica da parte metálica, vê-se que tal forma

36 34 geométrica corrobora a escolha que se teve no subitem 3.2, onde houve a utilização de um elemento tipo shell, elemento que configura uma superfície bidimensional em casca foi escolhida. Os elementos de trampolins também serão simplificados no desenho em CAD, para tanto, ao invés de se dar volume, tais elementos serão tradados unidimensionalmente. Tal escolha se deu a partir da determinação do tipo de elemento finito utilizado, elemento de treliça (subitem 2.2). Em CAD se tratará tais elementos de forma simplificada com a utilização de linhas ligando os pontos de fixação destes elementos de trampolins junto à estrutura metálica. Quando importado no ANSYS se darão características físicas a estes elementos, adicionando valores de rigidez, algo que será melhor tratado no decorrer do trabalho, Por fim temos a espuma do banco veicular. Tal elemento por ser algo de maior complexidade geométrica será tratado tridimensionalmente. Para o desenho em DAC tem-se a utilização das vistas isométricas deste banco, que serão utilizadas com o intuito de facilitar o desenho. Estas vistas foram tomadas por fotos do banco a ser modelado juntamente com a medição real das cotas com a utilização de uma trena. Após teve-se um rearranjo das imagens com as cotas com a utilização do Stech Tracer para que se mantenha uma escala 1:1. Tal ferramenta pode ser visualizada na figura 14. O desenho da espuma do banco veicular se dará em primeiro instante com a utilização da ferramenta shape com o intuito de se criar a superfície externa do componente. Posteriormente esta etapa, há a utilização de uma outra ferramenta denominada Solid. Tal utilização se dá com o intuito de se criar um sólido no interior da superfície primeiramente formada. Tais etapas foram escolhidas a fim de que o esforço para criação do da espuma do banco fosse o menor possível. As ferramentas utilizadas para tais fins podem ser visualizadas na figura 14 e figura 15.

37 35 Figura 14. Ferramenta para desenhos em Shape, CATIA. Figura 15. Ferramenta para desenhos em Solid, CATIA.

38 Desenhos CAD Nesta seção são apresentados os desenhos obtidos com a modelagem do banco em CAD com a utilização do software CATIA. Em primeiro instante, teve-se uma preocupação com a espuma, pelo fato de ser o componente mais externo a ser desenhado e analisado. Para a parte do encosto deste banco temos a figura 16 mostrada logo a seguir: Imagem 16. Espuma do encosto do banco em CAD.

39 37 Referente à parte do assento do banco desenhado, temos a seguinte figura 17 logo abaixo. Figura 17. Espuma do assento do banco em CAD. Com a utilização da ferramenta Assemby, com objetivo de juntar as partes desenhadas separadamente, temos o conjunto completo da espuma para o desenho simplificado do banco. Na figura 18 há o visual externo da espuma modelada. Figura 18. Conjunto da espuma do banco em CAD. Após a etapa do desenho da espuma do banco, teve-se um trabalho com a parte estrutural. Decidiu-se começar pela parte do encosto. Vê-se na Figura 19 logo abaixo o desenho obtido para a parte citada. Como dito anteriormente no item 3.1,

40 38 não há a presença das molas em tal desenho, pelo fato de tais componentes serem simplificados por linhas. Figura 19. Parte estrutural do encosto em CAD. Para a parte do assento do banco temos a figura 20, esta, assim como a imagem referente à parte do encosto não possui molas pelo fato já citado. Figura 20. Parte estrutural do assento em CAD. A estrutura de ancoragem do banco junto ao assoalho do veículo pode ser evidenciada na figura 21 logo a seguir. Tal componente é de suma importância para as análises subsequentes realizadas como a utilização do software comercial

41 39 ANSYS, pois será ela que fará a conexão entre o banco e o assoalho do veículo, algo tratado durante todo o decorrer deste trabalho. Figura 21. Suporte para a ancoragem banco-assoalho em CAD. A fim de mostrar ao leitor o desenho total obtido com utilização do software comercial CATIA, temos as figuras 22 e 23 mostradas logo abaixo. Na primeira figura temos a presença de todos os componentes da estrutura metálica. Na figura seguinte temos o banco modelado por completo, ou seja, o conjunto da parte metálica juntamente com as espumas. Figura 22. Conjunto estrutural completo em CAD.

42 40 Figura 23. Conjunto completo do banco veicular em CAD. 3.3 Conexão entre os componentes do banco veicular Todos os pontos de vinculações mostradas no item 2.3 serão aplicados no software CATIA junto com a ferramenta Assembly, já que o formato igs permite que se mantenham tais informações com o uso do software comercial ANSYS. Caso problemas ocorram neste ponto, novas vinculações serão inseridas juntamente com o software ANSYS a fim de representar estas vinculações. A utilização de diferentes tipos de elementos finitos para os componentes desenhados acarreta na necessidade de se ter um arranjo entre os nós de cada elemento de contado dos componentes, a fim de que estes contatos possam ser trabalhados de forma correta. Para a resolução deste ponto em questão, há duas diferentes maneiras de se tratar o sistema. Primeiramente pode-se considerar toda a superfície de contato dos elementos. Como outra alternativa de trabalho, tem-se o compartilhamento dos nós entre as superfícies de contato. Analisando os dois casos mostrados logo acima, vê-se que a diferença entre as alternativas citadas seria no esforço computacional necessário para as análises a serem realizadas. Quando se há a escolha por toda a superfície de contato, há um trabalho maior em nível computacional, já que o software analisará toda esta superfície.

43 41 Diferentemente, no segundo caso a utilização do compartilhamento dos nós na superfície se dá de forma eficaz já que o esforço computacional é menor. A utilização de tal técnica utiliza do princípio de que o deslocamentos em um nó compartilhado entre 2 ou mais elementos é o mesmo para todos os elementos. No decorrer deste trabalho escolhe-se a segunda opção mostrada logo acima, já que o compartilhamento dos nós entre as superfícies de contado dos elementos é mais eficiente no que tange o esforço computacional assim como mantem os valores de deslocamentos corretos nestes nós de compartilhamento. 3.4 Importação software CAE Depois de realizada a etapa dos desenhos com a utilização do software CAD tem-se necessário a importação destes desenhos para um software CAE, citado durante o decorrer deste trabalho. Tem-se em primeiro momento a utilização da ferramenta WORKBENCH, presente no software ANSYS (Versão 15) para a importação em extensão igs como citado no item 3.3. Ressalva-se neste ponto que durante o decorrer deste trabalho tem-se a possibilidade de se fazer uso da ferramenta MECHANICAL APDL para as análises necessárias, já que não se tem conhecimento suficiente até tal ponto do trabalho acerca da melhor ferramenta dentro do ANSYS para as análises a serem realizadas. A importação dos desenhos obtidos em CAD pode ser realizada a partir do comando "import. Na figura 24, mostrada logo a seguir, têm-se o banco veicular no software ANSYS. Esta importação se dá com o intuito de mostrar ao leito um primeiro contato com a ferramenta CAE. A utilização de tal software será algo recorrente na continuidade deste trabalho pela necessidade das análises a serem realizadas.

44 Figura 24. Conjunto do banco em software em elementos finitos. 42

45 43 CAPÍTULO 4 Perspectivas Futuras Após o término da modelagem do conjunto banco veicular com a utilização do software CATIA e, um primeiro contato com o software CAE ANSYS, a continuidade deste trabalho tem por objetivo inicial uma migração completa/parcial do sistema modelado para o software em elementos finitos. Terminada tal migração, a implementação dos diferentes tipos de elementos finitos (tabela 1) para cada componente será realizada. Posteriormente, a aplicação das condições de contorno (item 2.3), simulando as restrições do sistema e vinculações, será efetuada. Ainda no software ANSYS a aplicação das solicitações serão postam no conjunto seguindo as normas tratadas no item 2.4. Não menos importante, a conexão entre os diferentes tipos de elementos dos componentes (item 3.3) será efetuada a fim de os diferentes tipos de elementos finitos possam trabalhar em conjunto. O seguimento do trabalho após a implantação dos pontos citados logo acima se dará na determinação das tensões, deslocamentos e deformações do sistema analisado, dando-se maior importância aos elementos de fixação aludidos durante a apresentação deste trabalho. Como último objetivo para o trabalho subsequente, uma aplicação da teoria de confiabilidade será realizada com o intuito de se ter uma otimização dos elementos constituintes do assento veicular.

46 44 Referências bibliográficas Haan, R.. «FE Model of a car seat, creating an assessment tool for comfort analysis» 2002 Eindhoven University of Technology. Department Mechanical Engineering. Verver,M. «Numerical tools for comport analyses ao automotive seating» Eindhoven University of Technology. Wirotrattanaphaphisan, K. «Innovative Conceptual Design for a convenient car seat» Tese de mestrado- King Mongkut s University of technology North Bangkok. Amann, C.. «Virtual Seat Comfot Assessment» 2005 Humans and drives and their interaction with Vehicles VDI congresso November, Braunschweig. Zienkiewicz O. C.. «Finite Element and Approximation» Lee J., Grohs T.. «Evaluation of objective measurement Techniques for automotive Seat Comfort»-1995 Lear Seating Co., SAE , International Congress and Exposition Detroit, Michigan Bauer H., Cypra A., Beer A.. «Automotive Handbook forth edition» Robert Bosch GmbH, Stuttgart, Germany. Pywell J.. «Automotive Seat Design Affecting Comfort and Safety» General Motors Corp., SAE , international Congress and Exposition Detroit, Michigan. Pajon M., Bakacha M., Pignede D., Van. P, «Modeling of P.U foam Behavior- Applocations in the Field of automotive Seats» Bertrand Faure Equipments S.A., SAE , International Congress and Exposition Detroit Michigan. Zhang J., Kikuchi N., Li V.m Yee A., Nusholtz G.. «Constitutive Modeling of Polymeric Foam Material Subjected to Dynamic Crash Loading, International Journal of Impact Engieering» 1998-Volume 21. Thierry, R.. «Conception et fabrication de Structures de Sièges en composites» 2014.

47 45 [1] Disponível em, < acesso em 18 de novembro de 2014.