A INFLUÊNCIA DO PROCESSO DE FABRICAÇÃO NA PERFORMANCE ESTRUTURAL DE COMPONENTES FUNDIDOS OTIMIZADOS. Valmir Fleischmann

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1 A INFLUÊNCIA DO PROCESSO DE FABRICAÇÃO NA PERFORMANCE ESTRUTURAL DE COMPONENTES FUNDIDOS OTIMIZADOS Valmir Fleischmann

2 2 Sumário 1. Introdução 2. Metodologia 3. Configuração da análise Modelo de estudo Material e propriedades Restrições e carregamentos 4. Resultados Análise estática Otimização topológica Análise de processo Otimização de forma Análise de fadiga 5. Discussões dos resultados

3 3 1. Introdução Tipos de otimização: Topológica redução de material com maximização da rigidez Forma minimizar o nível de tensão; maximizar a vida útil do componente Bead aumentar a rigidez de placas pela criação de geometrias corrugadas (beads) Fluídos otimizar a condição de escoamento; reduzir perda de carga Topológica Bead Forma Fluidos Images Courtesy of AUDI AG Images Courtesy of Ford Werke AG

4 4 1. Introdução A otimização proporciona: A redução dos custos do produto pela redução de material O aumento da eficiência do sistema - componentes mais leves A diminuição do nível de tensão (otimização de forma) - aumento da durabilidade Após a otimização é necessário fazer a validação do produto segundo normas e procedimentos Durante a validação o estudo de fadiga é de extrema importância para entender o comportamento de componentes submetidos a carregamentos cíclicos Para a maior precisão do resultados de fadiga tem-se investigado a influência do processo de fabricação na entrada de dados da análise Alguns dos processos que exercem influência: Injeção de polímeros Conformação mecânica (estampagem, forjamento) Fundição

5 5 1. Introdução Abaixo um exemplo da influência da consideração da deformação plástica residual do processo de estampagem no estudo de fadiga para determinar o número de ciclos de um componente Considerando processo Sem considerar processo O objetivo do presente trabalho é mostrar a influência do processo de fundição na análise de fadiga de um componente automotivo otimizado

6 6 1. Introdução 2. Metodologia 3. Configuração da análise Modelo de estudo Material e propriedades Restrições e carregamentos 4. Resultados Análise estática Otimização topológica Análise de processo Otimização de forma Análise de fadiga 5. Discussões dos resultados

7 7 2. Metodologia Metodologia de trabalho Otimização de forma integrada a análise de fadiga, com entrada de parâmetros de processo Análise de Processo Modelo de Estudo Parâmetros de processo (ruptura, elasticidade, etc) Pré-Processamento Análise de Fadiga Análise Estática Critérios de Fadiga Atendidos? Não Otimização de Forma Otimização Topológica Sim Design Final

8 8 1. Introdução 2. Metodologia 3. Configuração da análise Modelo de estudo Material e propriedades Restrições e carregamentos 4. Resultados Análise estática Otimização topológica Análise de processo Otimização de forma Análise de fadiga 5. Discussões dos resultados

9 9 3. Configuração da Análise Modelo de estudo steering knuckle Componente da suspensão dianteira veicular Fonte: 3dcontentcentral.com Knuckle

10 10 3. Configuração da Análise Material e propriedades GGG 40 (ASTM ) Propriedade Simbologia Valor Unidade Módulo de Elasticidade Coeficiente de Poisson E MPa Massa Específica 7.1e-9 ton/mm3 Tensão de Escoamento MPa Limite de Resistência t 400 MPa Limite de Fadiga S t 140 MPa

11 11 3. Configuração da Análise Material e propriedades Software: Curva de fadiga (SN) do material GGG40 Limite de fadiga = 140 MPa a ciclos

12 12 3. Configuração da Análise Restrições e carregamentos: análise estática Análise com 3 carregamentos distintos: x, y e z Consideração das amplitudes máximas das forças Restrições iguais para os 3 casos Restrição nos furos: dispx=0, dispy=0, dispz=0 FX = 1500 N FY = 1500 N FZ = N Restrição no nó (ligação com braço de controle): dispx=0, dispy=0, dispz=0 rotx 0, roty 0, rotz 0

13 13 3. Configuração da Análise Restrições e carregamentos: análise de fadiga Amplitude variável, teste considerado em 1000 ciclos Fatores de amplitude para as direções x, y e z Carregamento multiaxial Entrada do sinal de força Fonte: SAE Suspension (SolidWorks Simulation)

14 14 3. Configuração da Análise Entrada das propriedades obtidas da simulação de processo na análise de fadiga Limite de resistência Tensão de escoamento Software: Valor da propriedade exportado para cada nó do modelo

15 15 1. Introdução 2. Metodologia 3. Configuração da análise Modelo de estudo Material e propriedades Restrições e carregamentos 4. Resultados Análise estática Otimização topológica Análise de processo Otimização de forma Análise de fadiga 5. Discussões dos resultados

16 16 4. Resultados Análise estática Tensão máxima principal [MPa] Software: FX = 1500 N Singularidade na fixação

17 17 4. Resultados Análise estática Tensão máxima principal [MPa] Software: FY = 1500 N

18 18 4. Resultados Análise estática Tensão máxima principal [MPa] Software: FZ = N

19 19 4. Resultados Otimização topológica Software: Redução de peso = 20 %

20 20 Otimização topológica 4. Resultados GLv iew 3D Plugin [topo.v tf]

21 21 4. Resultados Análise de processo Limite de resistência [MPa] Software:

22 22 4. Resultados Análise de processo Limite de escoamento [MPa] Software:

23 23 4. Resultados Otimização de forma Software: Redução de tensão = 23% Step 0 Step 5

24 24 Otimização de forma 4. Resultados GLview 3D Plugin [s ha pe.vtf]

25 25 4. Resultados Análise de fadiga Plotagem de dano (dano > 1 -> fadiga) Software: Otimização topológica Otimização topológica + forma

26 26 4. Resultados Análise de fadiga Plotagem de dano (dano > 1 -> fadiga) Software: Otimização topológica Otimização topológica + forma

27 27 1. Introdução 2. Metodologia 3. Configuração da análise Modelo de estudo Material e propriedades Restrições e carregamentos 4. Resultados Análise estática Otimização topológica Análise de processo Otimização de forma Análise de fadiga 5. Discussões dos resultados

28 28 5. Discussões dos Resultados A massa do modelo otimizado foi de 4.69 kg. A redução em relação ao modelo original foi significativa: 20 % Redução = 20 % Modelo Original Otimizado Massa 5.83 kg 4.69 kg

29 29 5. Discussões dos Resultados Pela análise de processo foi possível prever as variações dos limites de resistência mecânica no componente Como a resistência mecânica varia para cada nó do modelo, as propriedades de fadiga também variam (limite de fadiga, inclinação da curva SN) Valor da propriedade exportado para cada nó do modelo

30 30 5. Discussões dos Resultados Em relação à fadiga, o modelo da otimização topológica apresentou dano máximo igual a 2.57 Com a otimização de forma o valor caiu para 0.64, ficando menor que o limite igual a 1 Otimização topológica Otimização topológica + forma

31 31 5. Discussões dos Resultados Pelo gráfico é possível observar na região crítica do modelo a diferença obtida nos resultados quando se considera a entrada dos fatores de processo na análise de fadiga Ponto do gráfico

32 32 Obrigado pela Atenção! Design Original Design Otimizado

33 33 Link da apresentação: Perguntas? Valmir Fleischmann Tel: (11)