Desenvolvimento de ligadores eléctricos efectuando simulações computacionais baseadas no Método dos Elementos Finitos

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1 Desenvolvimento de ligadores eléctricos efectuando simulações computacionais baseadas no Método dos Elementos Finitos 1. INTRODUÇÃO O objectivo deste trabal ho consiste em tentar prever, a carga de rotura para um conjunto de l igadores eléctricos a partir do software Autodesk Inventor que possui recursos de anál ise por elementos finitos. Para este efeito seleccionamos um grupo dist into de l igadores eléctricos que foram sujeitos a ensaios práticos de tracção até à rotura. Nos ensaios real izados foram recolhidas as diferentes cargas de rotura obtidas. Após a real ização dos ensaios mecânicos reproduzimos as mesmas condições dos ensaios no software Autodesk Inventor e real izamos várias simulações, com aplicação de diferentes cargas. A amplitude dos valores de carga apl icada nos ensaios compreende valores inferiores à carga de rotura, encontrada no ensaio prático, e um conjunto de valores superiores. Com estas múltiplas simulações pretendemos encontrar um padrão comparativo comum, nas d iferentes anál ises executadas no software, de forma que se possa estabelecer uma relação entre os resultados obtidos nas simulações real izadas em computador e nos ensaios experimentais. Definida com rigor esta relação podemos prever, em análises futuras, a carga de rotura de um determinado componente para que só seja necessário recorrer a ensaios práticos para a val idação dos resultados finais. Figura. Resultado dos ensaios Para a execução das simulações em computador procuramos reproduzir, o mais fielmente possível, as condições reais dos ensaios práticos. A Figura 3 mostra o esquema de montagem util izado na real ização dos ensaios mecânicos.. ENSAIOS.1. Modelo C14D Figura 3. Dispositivo de montagem para a real ização dos ensaios mecânicos O primeiro modelo a ser anal isado apresenta a referência C14D e representa Meia Forquilha "R" DOMEX 460 P/Galvaniz. L=305x70 Ch.8 (ver Figura 1). No modelo numérico a montagem representada na Figura 3 foi reproduzida de forma simpl ificada como representamos na Figura 4. Figura 1. Modelo C14D Figura 4. Representação esquemática do modelo numérico O modelo C14D foi ensaiado três vezes. O resultado destes ensaios são apresentados na Figura. Para além do modelo a ser anal isado foi adicionado um elemento cilíndrico, que será designado neste estudo por calço, para a apl icação da carga. Na face plana do calço foi apl icada uma pressão constante, sendo a carga resultante o produto da área (140.4mm ) pela pressão apl icada (ver a Figura 5). Figura 5. Elemento para apl icação de pressão 1

2 No lado oposto, o conjunto foi rigidamente fixado pela face do furo. A malha de elementos finitos gerada em cada um dos componentes (Figura 6) foi definida de forma mais f ina possível (de acordo com a capacidade de processamento do hardware disponível) para que cada uma das anál ises pudesse reflectir de forma mais rigorosa os resultados pretendidos N Pressão (MPa) x Área (mm ) = 103.8x140.4= N N N Figura 6. Malha de elementos f initos util izada na real ização das simulações O material util izado na construção do modelo numérico foi o aço DOMEX 460, cujas características mecânicas são apresentadas na Tabela 1: N N Yield strength Tensile strength ReH N/mm min Rm N/mm min - max Tabela 1. Características mecânicas do aço Domex N N Nos ensaios experimentais efectuados foram obtidos os seguintes resultados em termos de carga de rotura (ver Tabela ) N Estado Lote MP Certif icado fornecedor Nº Nº Rm (N/ mm ) Relatórios nº (*) Resultado dos ensaios de rotura (em dan) 1 3 Média N Bruto 010LC , 48, Tabela. Resultados dos ensaios experimentais do componente C14D N N.1.1. Anál ise em software Analisando os resul tados dos ensaios experimentais apresentados na Tabela, verificamos que a rotura ocorre por volta dos N. No seguimento destes ensaios foram executados um conjunto de anál ises em computador, aplicando um conjunto variado de cargas tal como consta na Tabela 3. A amplitude das cargas varia entre um mínimo de N e um máximo de N. Dentro deste intervalo encontram-se os três valores obtidos nos ensaios experimentais, N, N e N. Na coluna mais à direita são apresentadas as anál ises tensoriais para cada uma das cargas. O valor da Rm do material (certif icado do fornecedor) é de 573 MPa, por isso vamos incidir o estudo num intervalo de tensões compreendido entre os 563 MPa e 588 MPa. Carga (N) Rm (Certificado do fornecedor) = 573 MPa N Tabela 3. Anál ise em computador do modelo C14D Anál ise dos resultados Com valores de carga compreendidos entre os N e os N é visível, nas anál ises apresentadas, que as tensões calculadas nas secções críticas do componente não at ingem na sua total idade o intervalo de tensões anal isado (563 MPa MPa). Na Figura 7 é visível uma faixa central de cor azul cujas tensões são inferiores à Resistência Máxima do material.

3 .. Modelo C1L754-1 O segundo modelo a ser anal isado foi o C1L754-1 designado por Balancim Triangular "Aço S355JO" - 400x70; E=0 - com 3 Parafusos M Classe 1.9 e representado na Figura 10. Figura 7. Valores da tensão na faixa central para uma carga de N Nesta anál ise também é visível que no intervalo de cargas compreendido entre os N e os N, não é visível uma grande alteração no aspecto da anál ise tensorial apresentado, apesar de podermos considerar um intervalo de cargas de grande ampl itude. Pela análise tensorial podemos deduzir que o componente neste intervalo apresenta uma certa estabil idade. Com valores de carga compreendidos entre os N e os N, valores próximos da carga de rotura dos ensaios experimentais, optámos por fazer uma anál ise mais fina, incrementando o valor da carga de ensaio para 1000 N. Este incremento, mais fino, visa anal isar as zonas mais críticas de forma a podermos compreender melhor como o modelo se comporta com valores de carga próximos do seu ponto de rotura (valor médio dos ensaios N). À medida que a carga se aproxima do valor da carga de rotura, verificamos nas imagens apresentadas, que as tensões calculadas se encontram dentro do intervalo anal isado (563 MPa 588 MPa). Ou seja, as secções críticas encontram-se na sua total idade muito próximas ou acima da resistência máxima do material, 573 MPa (ver a Figura 8). Podemos então concluir, que neste intervalo de cargas será perfeitamente previsível que a rotura acontecerá irremediavelmente. Figura 10. Modelo C1L754-1 ( chapas) O modelo C1L754-1 foi ensaiado três vezes. O resultado destes ensaios estão representados na Figura 11. Figura 11. Resultado dos ensaios do modelo C1L754-1 Figura 8. Comparação das análises para uma carga de N e N O material util izado no modelo ensaiado foi o Aço S355JO, cujas características mecânicas são apresentadas na Tabela 4. No intervalo de cargas entre os N e os verificámos que existe uma alteração significat iva do aspecto na anál ise tensorial (ver a Figura 9). Yield strength ReH N/mm min Tensile strength Rm N/mm min - max Tabela 4. Características mecânicas do Aço S355JO Figura 9. Comparação das análises para uma carga de N e N 3

4 Nos ensaios experimentais efectuados foram obtidos os resultados, em termos de carga de rotura, representados natabela 5. calço foi apl icada uma pressão constante, sendo a carga resultante o produto da área (140.4mm ) pela pressão apl icada (ver a Figura 5)...1. Anál ise em software Estado Bruto Lote MP Certif icado fornecedor Nº Nº Rm (N/ mm ) 010LC Relatórios nº (*) 56, 57, 58 Tabela 5. Resultados dos ensaios experimentais do componente C1L754-1 Resultado dos ensaios de rotura (em dan) 1 3 Os ensaios experimentais foram executados de acordo com a Figura 1. Média Pelos resultados dos ensaios experimentais apresentados na Tabela 5, verificamos que a rotura aconteceu por volta dos N. Em computador foram executadas várias anál ises, apl icando um conjunto variado de cargas, tal como consta na Tabela 6. A ampl itude das cargas aplicadas varia entre um mínimo de N e um máximo de N. Dentro deste intervalo encontram-se os três valores obtidos nos ensaios prát icos, N, N e 3780 N. O valor da Rm do material (certificado do fornecedor) é de 576 MPa, por isso vamos incidir o estudo num intervalo de tensões compreendido entre os 586 MPa e 551 MPa. Carga (N) Rm (Certificado do fornecedor) = 576 MPa N Pressão (MPa) x Área (mm ) 71.3x140.4x=00000 N N Figura 1. Dispositivo para ensaio prát ico do componente C1L N No trabalho numérico a montagem acima foi reproduzida de forma simpl ificada de acordo com a Figura 13. Para a execução da anál ise a montagem foi rigidamente fixada pelas faces dos furos de diâmetro de 4 mm (secção representada a vermelho) N (Carga mínima obtida nos 0000 N 5000 N N 3760 N (Carga máxima obtida nos N Figura 13. Esquema da geometria util izada nas simulações em computador Tabela 6. Análise em computador do modelo C1L754-1 Para a execução das simulações deste componente foi usado o mesmo elemento do ensaio anterior para apl icação da carga (neste caso particular foram usados dois elementos). Na face plana do 4

5 ... Análise dos resultados Aval iando as anál ises do modelo C1L754-1 podemos concluir que até a uma carga de N as secções críticas do componente não estão na sua total idade dentro do intervalo definido para anál ise (551 MPa MPa). Podemos então concluir, com algum real ismo, que o modelo suportará esta carga à rotura. No intervalo dos N até aos 3760 N as secções críticas começam a ter diversos sectores totalmente atravessados por tensões compreendidas no intervalo de anál ise, por esse motivo, podemos concluir que irá ocorrer neste intervalo a cedência completa do modelo. A análise efectuada com uma carga de N visa exibir de forma clara a total idade da secção crítica do componente dentro ou acima do intervalo de tensões anal isado..3. Modelo B Estado O material do modelo ensaiado foi o aço S75JR, cujas características mecânicas são apresentadas na Tabela 7. Tabela 7. Características mecânicas do Aço S75JR Nos ensaios práticos efectuados foram obt idos os seguintes resultados em termos de carga de rotura (ver Tabela 8). Lote MP Yield strength ReH N/mm min Tensile strength Rm N/mm min - max Certif icado fornecedor Nº Nº Rm (N/ mm ) Relatórios nº (*) Resultado dos ensaios de rotura (em dan) 1 3 Média O terceiro modelo a ser anal isado foi o B , representado na Figura 14 e identif icado, Ligador Direito "Aço S75JR" - L=100 - Furos 4 mm. Bruto 010LC , 54, Tabela 8. Resultados dos ensaios práticas do componente C1L7805 Em computador a montagem foi executada de acordo com a Figura 16. Para a execução da anál ise a montagem foi rigidamente fixada pela face do furo de d iâmetro de 4 mm (a vermelho). Figura 16. Esquema de simulação em computador Figura 14. Modelo B O modelo B foi ensaiado três vezes. O resultado destes ensaios estão representados na Figura 15. Para execução deste ensaio foi usado um elemento idêntico ao dos ensaios anteriores para apl icação da carga (neste caso particular l igeiramente maior devido à espessura de 15 mm da chapa). Na face plana do calço foi apl icada uma pressão constante, sendo a carga resultante o produto da área (8. mm ) pela pressão apl icada (ver a Figura 5) Anál ise em software Pelos resultados dos ensaios experimentais apresentados na Tabela 8, verificamos que a rotura aconteceu dentro do intervalo compreendido entre uma carga de N e uma carga de 000 N. Em computador foram executados um conjunto de anál ises, apl icando um conjunto variado de cargas como representamos na Tabela 9. A amplitude das cargas apl icadas varia entre um mínimo de N e um máximo de N. Dentro deste intervalo encontram-se os três valores obtidos nos ensaios prát icos, N, N e 000 N. O valor da Rm do material (certif icado do fornecedor) é de 456 MPa, por isso vamos incidir o estudo num intervalo de tensões compreendido entre os 461 MPa e 436 MPa. Figura 15. Resultado dos ensaios do modelo B

6 Carga (N) Rm (Certificado do fornecedor) = 456 MPa 3. CONCLUSõES N Pressão (MPa) x Área (mm) 788.9x8.= N N (Carga mínima obtida nos N Pelos ensaios e resultados apresentados pensamos que com uma anál ise qual itativa e quant itativa criteriosa será possível prever com alguma margem de segurança, a rotura de um determinado componente. Será também decisivo para esta análise def inir correctamente as propriedades mecânicas de cada um dos materiais dos componentes envolvidos. Em relação à anál ise podemos ainda concluir que se a total idade das tensões calculadas em cada uma das secções estiver compreendida ou acima do intervalo de tensões a anal isar (intervalo definido próximo da resistência máxima do material) podemos afirmar com grande margem de segurança que a rotura acontecerá N Américo Costa - Licenciado em Eng.ª Mecânica pela Universidade do Porto - Técnico de Formação do CENFIM - Núcleo de Ermesinde N N 000 N (Carga máxima obtida nos N Tabela 9. Análise em computador do modelo C1L Anál ise dos resultados Na aval iação das anál ises do modelo B podemos concluir que os dois ensaios experimentais onde foram obtidos os resultados mais elevados se enquadram naquilo que temos vindo a defender neste trabalho, isto é, a rotura acontece quando toda uma secção crítica se encontra dentro de uma tensão próxima da tensão máxima admissível. O ensaio experimental com um valor carga de N cai um pouco fora desta análise. Esta d ivergência poderá ter a ver, por exemplo, com alguma fissura existente no modelo, ou que a tensão máxima admissível do material se aproxime mais da sua tensão mínima que para este material é de 410 MPa (ver a Figura 17). Neste pressuposto era previsível que a cedência total do modelo acontecesse. Figura 17. Análise para um intervalo de 405 a 410 MPa 6