Introdução ao SolidWorks (X): Análise de Tensões de Peças - SimulationXpress

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1 Introdução ao SolidWorks (X): de Peças - SimulationXpress João Manuel R. S. Tavares / JOF Análise por SolidWorks SimulationXpress SolidWorks SimulationXpress é um software de análise estrutural totalmente integrado no SolidWorks. SolidWorks SimulationXpress faz testes de simulação do funcionamento do componente. Este permite responder a questões tais como: é resistente, é eficiente, e o seu desenho é económico? SolidWorks SimulationXpress é utilizado por estudantes, projectistas, engenheiros e outros profissionais para realizar peças eficientes e João Tavares / JOF CFAC: Introdução ao SolidWorks (X): 2 JOF/João Manuel R. S. Tavares 1

2 Ciclo Tradicional de Design Utiliza-se o SolidWorks para criar o modelo. Produz-se um protótipo. Realizam-se testes do protótipo em várias condições de carga. Em alguns casos é necessária a aplicação de sistemas de leitura de resultados nestes testes. Com base nos resultados, efectuam-se alterações no modelo, constrói-se um novo protótipo, e vai-se verificando até que este satisfaça os requisitos. SolidWorks Protótipo Teste Satisfaz? Sim Produção João Tavares / JOF CFAC: Introdução ao SolidWorks (X): 3 Benefícios da Análise de Peças Os ciclos de desenvolvimento são caros e longos. A análise computacional permite reduzir o número de ciclos de desenvolvimento. A análise reduz o custo por teste, uma vez que permite aproximar o modelo, usando cálculos de computador, diminuindo o número de ensaios. A análise reduz o tempo de entrada no mercado. A análise ajuda a optimizar o design simulando rapidamente muitos conceitos e cenários antes da tomada de uma decisão João Tavares / JOF CFAC: Introdução ao SolidWorks (X): 4 JOF/João Manuel R. S. Tavares 2

3 Método de Análise por Elementos Finitos Soluções analíticas só estão disponíveis para problemas simples. Estas soluções fazem algumas simplificações e podem não prever alguns casos práticos. SolidWorks SimulationXpress utiliza o Finite Element Method (FEM). A análise que usa o FEM é chamada de Finite Element Analysis (FEA) ou Design Analysis. FEA é um programa muito utilizado. Permite resolver problemas simples ou complicados. FEA é uma aplicação de computador bem sucedida. É universalmente reconhecido como um método de análise João Tavares / JOF CFAC: Introdução ao SolidWorks (X): 5 Conceito geral de Design Analysis O método FEM substitui um problema complexo por um conjunto de problemas simples. Divide o modelo em muitas peças pequenas (por exemplo, tetraedros) de formas simples, chamados elementos. Modelo CAD Modelo CAD Model dividido num número finito de João Tavares / JOF CFAC: Introdução ao SolidWorks (X): 6 JOF/João Manuel R. S. Tavares 3

4 Conceito geral de Design Analysis Os elementos utilizam pontos (comuns a vários) chamados nós. O comportamento destes elementos é bem conhecido em vários casos de carga. Os deslocamentos de cada nó nas direcções X, Y, e Z é totalmente descrito. Estes designam-se por graus de liberdade (DOF - degrees of freedom). Cada nó tem 3 DOF. Nós Nodes Tetrahedral Element Elemento João Tavares / JOF CFAC: Introdução ao SolidWorks (X): 7 Conceito geral de Design Analysis SolidWorks SimulationXpress escreve as equações que controlam o comportamento de cada elemento tendo em conta as interacções com os outros elementos. Estas equações relacionam as incógnitas, por exemplo deslocamentos, na análise das tensões, tendo em conta as propriedades do material, ligações ao exterior e carregamentos. De seguida o programa cria um sistema de equações com base nestes parâmetros. Poderão existir centenas, milhares ou milhões de João Tavares / JOF CFAC: Introdução ao SolidWorks (X): 8 JOF/João Manuel R. S. Tavares 4

5 Conceito geral de Design Analysis Na análise estática, a resolução do sistema de equações determina os deslocamentos nas direcções X, Y, e Z de cada nó. Após o cálculo dos deslocamentos em cada nó, o programa vai calcular as deformações nas várias direcções. A deformação é a variação de comprimento a dividir pelo comprimento original. F δl L Strain = (δl)/l Deformação Finalmente o programa utiliza equações para determinar as deformações e as João Tavares / JOF CFAC: Introdução ao SolidWorks (X): 9 Análise Estática de Tensões Este é o tipo mais comum de análise. Assume um comportamento linear do material e despreza as forças de inércia. É considerado que, retirando o carregamento, o sólido retoma a sua forma original. Cálcula deslocamentos, deformações, tensões e reacções na ligação ao exterior. O material entra em colapso quando as tensões ultrapassam um determinado valor. Materiais diferentes entram em colapso a valores diferentes. Com a análise estática, pode-se controlar o colapso de muitos João Tavares / JOF CFAC: Introdução ao SolidWorks (X): 10 JOF/João Manuel R. S. Tavares 5

6 Análise Estática de Tensões Quando uma carga é aplicada a um corpo, este tenta absorver esse efeito através da geração de forças internas de forma a que o seu efeito seja passado a outros pontos. O efeito destas forças designamse por tensões (stress). Tensão é a força por unidade de superfície. A tensão num ponto é a intensidade da força numa pequena área em volta desse ponto. P P A F σ σ = lim F/ A A João Tavares / JOF CFAC: Introdução ao SolidWorks (X): 11 O que é a Tensão Tensão é um tensor que descreve os valores e direcções para um determinado plano de referência. O tensor tensão é totalmente caracterizado pelas seis componentes: SX: Tensão Normal na direcção X SY: Tensão Normal na direcção Y SZ: Tensão Normal na direcção Z TXY: Tensão de Corte na direcção - Y no plano YZ TXZ: Tensão de Corte na direcção - Z no plano YZ TYZ: Tensão de Corte na direcção - Z no plano XZ Tensão positiva indica tracção e negativa indica João Tavares / JOF CFAC: Introdução ao SolidWorks (X): 12 JOF/João Manuel R. S. Tavares 6

7 Tensões Principais As tensões de corte desaparecem em algumas direcções. As tensões normais a estas direcções designam-se de tensões principais.. P1: Tensão normal na primeira direcção principal (maior). P2: Tensão normal na segunda direcção principal (intermédia). P3: Tensão normal na terceira direcção principal João Tavares / JOF CFAC: Introdução ao SolidWorks (X): 13 X 3 1 P3 Z o P1 P2 2 Y Axes 1,2, and 3 are called principal Eixos 1, 2 e 3, são chamados directions and the normal stresses de direcções principais e as P1, P2, and P3 are called principal stresses. tensões P1, P2 e P3 são chamadas de tensões principais Tensão de Von Mises A tensão von Mises é um número escalar positivo que não tem direcção. Este descreve o estado de tensão por um número. Muitos materiais têm colapso quando a tensão de von Mises ultrapassa um determinado valor. A tensão de von Mises é definida em termos das tensões normais e de corte por: 1 VON - 2 ( SX SY 2 [ ) + ( SX SZ ) 2 +( SY SZ) 2 ] + 3( TXY 2 + TXZ 2 + TYZ 2 ( 1 2) = ) Em termos das tensões principais, a tensão de von Mises é dada por: 1 VON -- 2 [( P1 P2) 2 + ( P1 P3) 2 + ( P2 P3) 2 ( 1 2) = João Tavares / JOF CFAC: Introdução ao SolidWorks (X): 14 JOF/João Manuel R. S. Tavares 7

8 Passos para a realização da Análise 1. Associar o material. De que é feito esta peça? 2. Especificar ligações. Que faces são fixas e não vão ter qualquer deslocamento? 3. Aplicar carregamento. Quais são as forças e pressões que actuam sobre esta peça? 4. Calcular as equações da análise. 5. Ver resultados. Qual é o factor de segurança? Quais são as deslocações e tensões João Tavares / JOF CFAC: Introdução ao SolidWorks (X): 15 Tipos de Análise adicionais SolidWorks SimulationXpress realiza a análise linear estática de tensão em peças. Outras ferramentas de software, permite meios adicionais de análise de peças e conjuntos. SolidWorks Simulation contém: Análise Linear Estática de tensões em conjuntos. Análise não Linear Estática Análise à Encurvadura Análise com Cargas Cíclicas Análise sobre Acções Térmicas Análise de Optimização Análise Dinâmica Análise de Fadiga Análise ao João Tavares / JOF CFAC: Introdução ao SolidWorks (X): 16 JOF/João Manuel R. S. Tavares 8

9 SolidWorks SimulationXpress : as apresentações seguintes apresentam um exemplo do Tutorial do SWK. 1. Peça a estudar. 2. Pode haver necessidade de quebrar superfícies para definir ligações ao exterior ou carregamentos. Material: Superfície fixa Força Vertical de João Tavares / JOF CFAC: Introdução ao SolidWorks (X): Na FeatureManager tree, sobre o nome do documento, botão direito do rato e seleccionar Document Properties. 2. Aparece a caixa de diálogo Document Properties. 3. Clicar em Units. 4. No quadro Unit system, seleccionar MKS (meter, kilogram, second). 5. Validar João Tavares / JOF CFAC: Introdução ao SolidWorks (X): 18 JOF/João Manuel R. S. Tavares 9

10 1. Seleccionar Edit Material na Standard toolbar. Aparece a caixa de diálogo Material Editor. 2. Para criar uma nova base de dados de material: a. Botão direito na área da esquerda e New Library. Aparece caixa de diálogo Save As. b. Escreva o nome para a nova base de dados de material, por exemplo, MeuMaterial e fazer Save. 3. Para criar uma nova categoria de material: a. Botão direito na área esquerda e New Category. b. Escreva o nome para o material, por exemplo, João Tavares / JOF CFAC: Introdução ao SolidWorks (X): Para criar um novo material usando Alloy Steel por base: Abrir SolidWorks Materials, clicar no sinal + e Steel botão direito em Alloy Steel e Copy. Botão direito na nova categoria acabada de criar e Paste. Botão direito na cópia de Alloy Steel, seleccionar Rename e escrever o novo nome, por exemplo, João Tavares / JOF CFAC: Introdução ao SolidWorks (X): 20 JOF/João Manuel R. S. Tavares 10

11 5. Para modificar as propriedades do material, em Properties, clique-pausa-clique no valor de cada propriedade e escrever os seguintes valores: Elastic modulus: 1.2e11 Poisson's ratio: 0.3 Density: 7500 Yield strength: 5e8 6. Clicar Save, Apply, e depois Close. O Aço1 é associado à João Tavares / JOF CFAC: Introdução ao SolidWorks (X): 21 Seleccionar o botão SimulationXpress Analysis ou botão Tools, SimulationXpress. 1. Clicar Options. Aparece o ecrã 2. Fixar o System of units para SI. 3. Clicar em para definir a pasta para os resultados. 4. Activar Show annotation 5. Clicar João Tavares / JOF CFAC: Introdução ao SolidWorks (X): 22 JOF/João Manuel R. S. Tavares 11

12 Verificar se o material da peça é o pretendido. 1. Clicar Next. 2. Alterar o nome FixedLargeHole na árvore na caixa de diálogo. 3. Na área gráfica, seleccionar o furo largo. Aparece Face<1> na caixa de diálogo. 4. Clicar Next. Verificar se aparece FixedLargeHole e. 5. Clicar João Tavares / JOF CFAC: Introdução ao SolidWorks (X): 23 Para aplicar um carregamento. 1. Clicar Next. 2. Seleccionar Force e clicar Next. 3. Definir o nome ForçaVertical na caixa de diálogo. 4. Seleccionar a face a colocar a carga. 5. Clicar Next. 6. Escolher normal to reference plane. 7. Escolher o João Tavares / JOF CFAC: Introdução ao SolidWorks (X): 24 JOF/João Manuel R. S. Tavares 12

13 Aparece o plano TOP na caixa de diálogo. 8. Escrever 4000 para valor da força e clicar Next. Aparece ForçaVertical na caixa de diálogo e o em Load. 9. Clicar Next. Aparece a caixa de diálogo João Tavares / JOF CFAC: Introdução ao SolidWorks (X): 25 Aparece a caixa de diálogo Analyze. 1. clicar Yes (recommended) para aceitar a geração de malha definida por omissão. Clicar Next. 2. Clicar Run. Quando o cálculo está realizado aparece em Analyse. Aparece caixa de diálogo Results. Enquanto faz João Tavares / JOF CFAC: Introdução ao SolidWorks (X): 26 JOF/João Manuel R. S. Tavares 13

14 Aparece na caixa de diálogo FOS (menor factor de segurança relativo à tensão de cedência) de 6, Se alterar FOS para 8 e clicar Show me. Aparece a seguinte imagem. Zona a vermelho está acima de João Tavares / JOF CFAC: Introdução ao SolidWorks (X): 27 Se alterarmos a peça, fazer Close para voltar ao editor normal. Na árvore de criação editar o Cut-Extrude2, e colocar Through All. A peça é alterada. Seleccionar o botão SimulationXpress Analysis. Clicar Update O passa João Tavares / JOF CFAC: Introdução ao SolidWorks (X): 28 JOF/João Manuel R. S. Tavares 14

15 Para realizar uma edrawings para análise dos resultados. 1. Clicar Next. Seleccionar No. 2. Clicar Next. 3. Seleccionar e Generate edrawings. Clicar Next. 4. Aparece a caixa de diálogo SaveAs. Dar nome ao ficheiro ou João Tavares / JOF CFAC: Introdução ao SolidWorks (X): 29 Para realizar uma edrawings para análise dos resultados. 1. Clicar Close. 2. Clicar Yes para guardar os dados. Pode-se optar por outras João Tavares / JOF CFAC: Introdução ao SolidWorks (X): 30 JOF/João Manuel R. S. Tavares 15