ANÁLISE ESTRUTURAL DINÂMICA DE BASTIDOR DE TELECOMUNICAÇÕES

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1 1 ANÁLISE ESTRUTURAL DINÂMICA DE BASTIDOR DE TELECOMUNICAÇÕES MARCO ANTÔNIO LUERSEN ADMILSON TEIXEIRA FRANCO LEONARDO LUNARDI FERREIRA MARCELO PINTO DA SILVA Centro Federal de Educação Tecnológica do Paraná CEFET PR DAMEC - Departamento de Mecânica NuPES Núcleo de Pesquisa em Engenharia Simultânea Av. Sete de Setembro, Curitiba - PR Resumo. O presente trabalho tem por objetivo determinar os níveis máximos de tensões e deslocamentos a que um bastidor de equipamentos de telecomunicações estará submetido, nas condições de transporte e operação. Para tanto, realizou-se simulações dinâmicas de vibração e choque, analisando-se assim seu comportamento estrutural. As simulações foram feitas utilizando-se o método dos elementos finitos, modelando-se a estrutura do bastidor com elementos de viga e casca. Os componentes internos, que não possuem efeito estrutural, foram modelados como elementos finitos de massa pontual. Como carregamentos, aplicou-se pulsos semi-senoidais de aceleração, e deslocamentos com variação harmônica ao longo do tempo, segundo normas da International Eletrotechnical Commission (IEC). Como resultados, detectou-se as regiões mais flexíveis, bem como regiões com altos valores de tensões, que poderiam comprometer a integridade estrutural do equipamento e/ou danificar algum componente interno. Através desses resultados, pode-se propor modificações, de tal forma a reduzir as tensões e diminuir o nível de vibração nas regiões críticas, para não comprometer a integridade estrutural do equipamento e de seus componentes internos. Palavras-chave: Dinâmica estrutural, Empacotamento eletrônico, Elementos finitos.

2 2 1. INTRODUÇÃO Bastidores são gabinetes metálicos que abrigam equipamentos eletroeletrônicos de telecomunicações. A ação de carregamentos aleatórios pode acarretar tensões e deformações acentuadas, e comprometer sua integridade estrutural ou de algum componente interno. As solicitações ocorrem durante o transporte do equipamento, e em condições de operação, ao longo de sua vida útil. Em ambas as situações os carregamentos são de natureza dinâmica, ou seja, variam ao longo do tempo. Na situação de transporte o equipamento está sujeito a impacto, e em condições de operação a carregamentos aleatórios e/ou de impacto (Dally, 1990). Este trabalho tem por objetivo determinar os níveis máximos de tensões e vibrações a que um bastidor estará submetido, nas condições mencionadas anteriormente, bem como as regiões onde ocorrem as máximas tensões e máximas oscilações de vibração. Através desses resultados, e caso os níveis de tensões e vibrações estejam acima dos admissíveis, pode-se propor alguma modificação estrutural no armário, de tal forma a reduzi-las, para não comprometer sua integridade estrutural (Adams & Askenazi, 1999; Seraphim et al., 1989). O bastidor analisado possui dimensões externas de 1,6m X 1,8m X 0,5m, sendo feita, simultaneamente com a análise estrutural dinâmica, uma análise de dissipação térmica. A análise dinâmica foi realizadas através do método dos elementos finitos, utilizando o programa comercial Ansys, Rev. 5.4 (1997). Mais detalhes sobre este equipamento e sobre a análise térmica realizada podem ser encontrados no trabalho de Franco et al., METODOLOGIA A partir do modelo geométrico do gabinete, desenhos e informações adicionais, cria-se um modelo de elementos finitos, para posterior simulação dinâmica do equipamento. Utilizou-se elementos de casca (shell63), viga (beam44) e massa pontual (mass21) As Figs. 1 e 2 mostram o modelo de elementos finitos do gabinete.

3 3 Figura 1 - Modelo de Elementos Finitos - Gabinete com as portas. Figura 2 - Gabinete sem as portas - Modelo de elementos finitos utilizando elementos de casca, viga e massa pontual.

4 4 3 - SIMULAÇÕES DO COMPORTAMENTO DO ARMÁRIO Foram realizadas três tipos de simulações computacionais: análise modal, análise de transporte e análise de operação. 3.1 Análise Modal: Consiste da determinação das freqüências naturais mais baixas, e correspondentes modos de vibração da estrutura. Com esta análise pode-se verificar regiões onde a estrutura é mais flexível, bem como valores de freqüências que excitariam a estrutura nessas regiões. 3.2 Análise de Transporte Consiste da simulação do comportamento dinâmico do armário durante o transporte. Isto é feito através de uma análise transitória causada por um choque, segundo os padrões das normas da International Eletrothecnical Commission (IEC). Segundo a norma IEC (1987), uma condição típica de severidade para itens transportados em posição segura em estradas de rodagem, ferrovias e transporte aéreo, é um pulso de aceleração em forma de uma meia senóide, com duração igual a 11 ms. Na simulação utilizando o método dos elementos finitos, fez-se uma análise transitória, e como carregamento aplicou-se uma aceleração, na direção vertical, em forma de pulso semi-senoidal, sobre toda a estrutura, durante um período de tempo de 11 ms. A amplitude do pulso foi de 150 m/s 2. Após este pulso, manteve-se um valor constante nulo de aceleração, de forma a captar o efeito retardado da excitação sobre a estrutura. A representação gráfica do pulso está apresentada na Fig. 3. No eixo horizontal está o tempo (em segundos) e no eixo vertical o valor da aceleração (em m/s 2 ) ,0000 0,0025 0,0050 0,0075 0,0100 0,0125 0,0150 0,0175 Figura 3 - Forma do pulso senoidal (aceleração) a que o armário foi submetido para a simulação de transporte.

5 5 3.3 Análise de Operação Tem por objetivo simular o gabinete sob condições normais de utilização. Para esta análise, utilizou-se dados da norma IEC (1987), escolhendo-se como condição de utilização estacionária a classe 3M4, aplicada a localizações com nível significante de vibração e choque, transmitidos por máquinas ou veículos transitando na vizinhança. Na simulação utilizando o método dos elementos finitos, fez-se uma análise harmônica, aplicando-se um deslocamento nos apoios (sapatas) das extremidades do gabinete. Este deslocamento é variável com o tempo, em forma senoidal, tendo amplitude igual a 3 mm. Variou-se a freqüência da solicitação (deslocamento) de 2 a 9 Hz. 4. RESULTADOS OBTIDOS, CONCLUSÕES E SUGESTÕES 4.1 Análise Modal Resultados obtidos para as freqüências naturais: Primeira freqüência natural: Hz Segunda freqüência natural: Hz Terceira freqüência natural: Hz Quarta freqüência natural: Hz Quinta freqüência natural: Hz Os modos de vibração para as três primeiras freqüências naturais estão mostrados nas Figs. 4, 5 e 6. Figura 4 - Primeiro modo de vibração - Região do Sistema Multiplexador Óptico (SMO) - Associado com a freqüência de Hz.

6 6 Figura 5 - Segundo modo de vibração - Região das chapas do sub-bastidor interno - Associado com a freqüência de Hz. Figura 6 - Terceiro modo de vibração - Região das chapas do sub-bastidor interno - Associado com a freqüência de Hz.

7 7 Da Análise Modal verificou-se que as primeiras freqüências naturais são relativamente baixas. Assim, caso houver alguma fonte excitadora nessa faixa de freqüências, os respectivos modos de vibração serão excitados, podendo haver uma magnitude alta de vibração nas respectivas regiões. As freqüências mais baixas estão associadas ao Sistema Multiplexador Óptico (SMO), e às chapas do sub-bastidor interno, podendo afetar algum componente que estiver conectado a esta região, se houver alguma fonte excitadora na faixa de 8 a 15 Hz. 4.2 Análise de Transporte Da simulação de transporte, comparando-se os valores de tensões obtidos com os valores de tensão de escoamento dos materiais utilizados: aço inoxidável (195 MPa) e liga de alumínio (195 MPa), verificou-se que o gabinete possui alguns pontos críticos, quais sejam: suporte do sub-bastidor basculante: tensão de Von Mises máxima igual a 364 MPa; suportes dos Distribuidores Gerais (DG s): tensão máxima igual a 435 MPa A Fig. 7 mostra o nível de tensões nos elementos de casca, e a Fig. 8 mostra a distribuição de tensões na região do suporte do sub-bastidor basculante (uma das regiões críticas).

8 8 Figura 7 - Tensões de Von Mises nos elementos de casca. Figura 8 - Tensões de Von Mises no suporte do sub-bastidor basculante (máximo = 364 MPa).

9 9 A figura 9 apresenta as tensões máximas nos elementos de viga, e a figura 10 na região do suporte dos DG (uma das regiões críticas). Figura 9 - Tensões nos elementos de vigas. Figura 10 - Tensões nas vigas. Valor máximo = 435 MPa, no suporte dos DGs.

10 Análise de Operação Da simulação de operação verificou-se que o gabinete possui também como região crítica os suporte dos SMO que, para uma freqüência de excitação de 8Hz, gerou uma tensão máxima de 211 MPa, bem como uma amplitude de vibração elevada. A Fig. 11 mostra a distribuição de tensões de Von Mises nos elementos de casca, para esta análise, com freqüência de excitação de 8 Hz. A Fig. 12 apresenta a distribuição de tensões na região do suporte do SMO. Figura 11 - Tensões nos elementos de casca (análise harmônica: 8 Hz) - Os elementos de viga foram omitidos para melhor visualização. Figura 12 - Tensões de Von Mises no suporte do SMO (máximo = 211 MPa) - Os elementos de viga foram omitidos para melhor visualização.

11 Análise de resultados, conclusões e sugestões Como já mencionado, o armário apresenta como regiões críticas: o suporte do Sistema Multiplexador Óptico (SMO) o suporte do sub-bastidor basculante, os suportes do Distribuidor Geral (DGs) Sugere-se assim aumentar a rigidez dessas regiões, de forma a diminuir as tensões máximas atuantes, bem como as oscilações do suporte do SMO. Uma solução é o aumento da espessura das chapas. Também são necessários reforços estruturais para diminuir os níveis de vibração do suporte do SMO. REFERÊNCIAS Adams, V. and Askenazi, A., 1999, Building Better Products with Finite Element Analysis, Onword Press. Ansys Rev. 5.4, 1997, User s Manual (on line). Craig Jr., R.R., 1981, Structural Dynamics An Introduction to Computer Methods, John. Wiley & Sons, New York. Dally, J.W., 1990, Packaging of Eletronic Systems A Mechanical Engineering Approach, McGraw Hill, Inc. Franco, A. T., Luersen, M. A. e Naaktgeboren, C., 1999, Análise Tridimensional de Bastidores de Telecomunicações: Simulação Térmica, Trabalho a ser apresentado no Congresso Brasileiro de Engenharia Mecânica (COBEM'99), 22 a 26 de novembro, Águas de Lindóia, SP. International Standard - International Eletrothecnical Commission (IEC) , 1987, Classification of Environmental Conditions, Geneve, Suisse. International Standard - International Eletrothecnical Commission (IEC) , 1987, Basic Environmental Testing Procedures, Geneve, Suisse. Seraphim, D.P., Lasky, R. and Li, C.-Y., 1989, Principles of Eletronic Packaging, McGraw-Hill, Inc.

12 12 STRUCTURAL DYNAMIC ANALYSIS OF A TELECOMMUNICATIONS CABINET Abstract. The purpose of the present work is to evaluate the maximum mechanical stresses and displacement levels when a telecommunications cabinet is transported and during its operation. This analysis was performed by shock and vibration dynamic simulations. The finite element method is used to accomplish these simulations. The structure of the cabinet was modeled by beam and shell finite elements. The internal components that do not have structural effect were represented by punctual mass finite elements. The load conditions were half-sine acceleration pulses and harmonic time variation displacements, obtained from the International Eletrotechnical Commission (IEC) Standard. As results, one can detect flexible regions and high stress regions that may affect the structural integrity of the cabinet, or damage of some internal components. Some alternatives are presented to decrease the mechanical stresses and vibration levels in critical regions, in order not to compromise the structural integrity of the cabinet and its internal components. Keywords: Structural dynamics, Electronic packaging, Finite elements.

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