ANALISE ESTRUTURAL, TENSÃO E FADIGA DE UM PROTÓTIPO TECNOLÓGICO MINI BAJA - UGBaja.

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1 ANALISE ESTRUTURAL, TENSÃO E FADIGA DE UM PROTÓTIPO TECNOLÓGICO MINI BAJA - UGBaja. Carlos Victor Barboza Rodrigues 1 Thiago da Silveira Farias 2 Renata Facuri 3 Geovani Nunes Dornelas 4 Diego Dornelas Diogo 5 Resumo: A concepção do presente trabalho é a realização de uma análise estrutural de um protótipo off-road mini baja, foi projetado e construído pela equipe UGBaja do Centro Universitário Geraldo di Biase (UGB-Barra do Piraí), com propósito de competir nas organizações do baja SAE BRASIL. O objetivo é projetar, modelar e analisar a estrutura do mini baja, de forma que assegure seu funcionamento ideal durante a competição. Houve uma introdução nos conceitos sobre estrutura e fadiga. Foram identificados os requisitos de segurança e regras que a baja SAE BRASIL determina nas competições. Em seguida o uso dos softwares para modelagem 2D e 3D, construção e análise do modelo estrutural. Foi visto os principais problemas da estrutura do protótipo elaborado pela UGBaja. Uma metodologia para a análise da estrutura foi elaborada em etapas, com propósito de organizacional e com intuito de obter rapidamente resultados satisfatórios. A simulação do protótipo foi criada com auxílio de software, dando ênfase na real estrutura proposta, com o seguinte questionamento se iria suportar ou não os riscos da competição, assim comparando os métodos de análises utilizados em outras faculdades. Palavras chaves: analise estrutural, fadiga, mini baja, modelagem, tensão. 1 Acadêmico do Curso de Engenharia Mecânica do Centro Universitário Geraldo Di Biase UGB. 2 Acadêmico do Curso de Engenharia Mecânica do Centro Universitário Geraldo Di Biase UGB. 3 Acadêmico do Curso de Engenharia de Produção do Centro Universitário Geraldo Di Biase UGB. 4 Mestre em Modelagem Matemática e Estatística Aplicada pela Universidade Vale do Rio Verde de Três Corações; Professor do Centro Universitário Geraldo Di Biase UGB; Professor das FAETERJ Paracambi. 5 Mestre em Polímeros pela UERJ; Professor do Centro Universitário Geraldo Di Biase UGB.

2 1. Introdução O presente estudo tem como base o chassi do veículo tipo mini baja projetado e construído pela equipe formada por alunos do Centro Universitário Geraldo Di Biase (UGB Campus Barra do Pirai RJ), com o objetivo futuros de participar das competições organizadas pela SAE BRASIL. Os eventos promovidos pela SAE BRASIL põem em prática os projetos criados pelos alunos universitários, os eventos regionais têm destaque para uma corrida com duração de quatro horas que submete o veículo a condições máximas de funcionamento. Uma dessas condições aos quais estes veículos são expostos resulta nas falhas da estrutura do veículo, que podem levar até mesmo ao abandono da competição. A SAE BRASIL,(2014), apresenta em seu regulamento uma grande preocupação com a segurança, o chassi poderá ser utilizado até dois eventos. Por tanto, necessita um estudo de análise estrutural do mini baja para que as tensões, fadigas e os danos decorridos durante a competição não levem a ruptura do material proveniente dos efeitos de tensão, deformação e carregamentos cíclicos aplicados durante a corrida. A plenitude de uma estrutura e sua durabilidade é de extrema importância em um projeto de engenharia. Nas aplicações estruturais, onde falhas podem ter graves conseqüências, é fundamental que a integridade da estrutura seja parcialmente abonada através do uso de cálculos matemáticos e Softwares, que podem ajudar na análise da estrutura e simular as tensões no qual a estrutura do chassi será submetida. Portanto os softwares que auxiliam na análise estrutural do protótipo indicam os principais pontos críticos da estrutura, podendo identificá-los e obtendo melhorias e modificações ao longo do projeto estrutural do projeto UGBaja. 2. Metodologia Segundo MENDES (2008) é importante ressaltar que a partir da estrutura existente, serão criadas formas de otimização do projeto com o intuito de desenvolver uma nova estrutura, mais leve e esbelta, a partir do emprego de novos materiais, que apresentem características de boa resistência, segurança e leveza. Desta forma, será possível contribuir para a diminuição do peso do carro. Em competições do baja SAE BRASIL, os veículos off-road são avaliados em provas estáticas e dinâmicas. Nas provas dinâmicas os veículos são testados ao seu

3 limite de rendimento e de resistência máxima. São dividas nas seguintes etapas: aceleração, velocidade máxima, tração (pull track), Suspension and Traction, enduro de resistência. Durante essas provas a estrutura do veículo sofre com esforços cíclicos, ocorrendo a fadiga do material e também possíveis acidentes durante a competição. Portando há uma necessidade de estudar/analisar a estrutura do veículo visando os possíveis danos e deformações de forma que assegure a integridade física do piloto. Por fim utilizamos os softwares ( CAD e SolidWork) para realizar simulações da estrutura do UGBaja. Afim de reproduzir situações reais da competição para analisar previamente os possíveis casos dos problemas ocorridos durante as provas dinâmicas. Durante as simulações tivemos alguns problemas técnicos para idealização do modelo tubular da estrutura. Todos os tubos foram idealizados por planos médios, e independentemente. No caso da montagem houve grandes problemas, pois, o software não aceita idealizações de montagens dos tubos com ângulos diferentes de 90º e 180º representado na Figura 1, com isso o modelo original teve que ser mudado, para mais simples, diminuindo posteriormente o tempo de produção do carro modelo. Figura 1 - Visualização dos ângulos da gaiola. Fonte: Dornelas et al., 2015.

4 Na Figura 2 as soldas foram idealizadas por soldas de extremidades como, este procedimento é obrigatório para o caso de peças soldadas, pois, necessitamos para fazer a simulação. Teve problemas, de quando havia vários tubos sendo soldados no mesmo ponto, pois o software não interpreta soldas uma em cima da outra. Figura 2 - Visualização de solda. Fonte: Dornelas et al., A solução para este impedimento foi a diminuição do diâmetro externo do tubo e diminuição da parede de alguns tubos. Modificações foram feitas seguindo uma escala para não ser perdida a relação de medidas dos tubos. 3. Referencial Teórico 3.1. Histórico do BAJA Conforme FATEC (2012) após a criação do projeto baja SAE a Universidade da Carolina do Sul, Estados Unidos, sob a direção do Dr. John F. Stevens, criou a primeira competição em Na Figura 5 representa um veículo off-road da época. Em 1991 teve início das atividades da SAE no Brasil, depois de três anos em 1994 lançava o projeto baja SAE BRASIL. Já no ano de 1995, foi realizada a primeira competição nacional, na pista Guido Caloi, bairro do Ibirapuera, cidade de São Paulo. Em 1996, foi transferida para o Autódromo de Interlagos, onde ficou até o ano de A competição

5 passou a ser realizada em Piracicaba, interior de São Paulo, no ECPA Esporte Clube Piracicabano de Automobilismo no de Segundo SAE BRASIL (2015) ao decorrer da sua história, teve grande importância no ano de 1997 com apoio a realização de eventos regionais do Baja SAE BRASIL, através de competições regionais das faculdades do Brasil. Na Figura 6 mostra dois carros que foram utilizados nas competições. Desde então, foram realizados eventos em vários estados do país como Rio Grande do Sul, São Paulo, Minas Gerais e Bahia. Figura 3 - Veículo baja utilizado nas primeiras competições. Fonte: FATEC, Conforme Pimenta (2006) os sólidos são considerados uma estrutura quando têm a função de transmitir ou resistir à ação de esforços externos. Para isso é necessário que tenham também mantenham uma forma definida quando submetidos à ação dos esforços externos para os quais devam ser funcionais. Uma estrutura é por tanto um sólido com uma função mecânica. Estruturas podem ser projetadas e construídas para que tenham a função desejada. Este é o objetivo principal da Engenharia Estrutural.

6 Existem estruturas em todas as construções civis, assim como nas máquinas, sejam elas guindastes, automóveis, aviões, foguetes, navios ou submarinos. A gaiola de um veículo de competição baja deve ser uma estrutura espacial feita de aço tubular. As regras da competição determinam a maneira como a gaiola deve ser construída, indicando membros que deverão obrigatoriamente estar presentes no projeto, além de classificá-los como primários ou secundários de acordo com sua relevância para a resistência do conjunto. As chamadas barras primárias, são elementos de grande importância no caso de colisão ou capotamento, pois são estes membros que irão garantir a rigidez da gaiola nestes que são os casos mais críticos de carregamento como mostra a Figura 4. (SAE BRASIL, 2015) Figura 4 Membros primários da estrutura. Fonte: Sobral, Restrições da Estrutura As restrições para esta estrutura são: a distância entre os membros verticais da estrutura deverá ser superior a 736 mm quando medido a 686 mm acima do assento e a inclinação desta estrutura poderá ser no máximo de 20º em relação à vertical. Para aumentar a rigidez da estrutura, o regulamento da competição exige que uma barra conecte diagonalmente os membros verticais do plano traseiro conforme a Figura 9,

7 sendo esta fixada a não mais de 127mm de distância das barras horizontais. Esta barra diagonal não poderá formar um ângulo menor que 20º com as barras verticais. (SAE BRASIL, 2015) Figura 5 Barra diagonal permitida pela regra. Fonte: SAE BRASIL, O material a ser utilizado nos membros primários da gaiola é um tubo de aço com conteúdo de carbono mínimo de 0,18%, diâmetro externo de 25 mm e espessura de parede de 3 mm. Segundo Costa (2010) fadiga é um dano estrutural, localizado, progressivo e permanente que ocorre quando o material é submetido a deformações cíclicas ou flutuantes, geralmente a uma tensão nominal abaixo da tensão de escoamento. Segundo Budynas, Nisbett (2011), a falha por fadiga tem três estágios de desenvolvimento. Início da trinca (pequena duração caso o material apresente concentrador de tensão); Propagação da trinca (maior tempo de vida da peça);

8 Ruptura repentina devido ao crescimento instável da trinca (instantâneo, sem aviso prévio). Segundo Abrahão (2008), normalmente a trinca de fadiga inicia em uma descontinuidade no material onde o estado de tensão cíclica é máxima. As descontinuidades podem surgir devido a alguns fatores, como: Projeto de mudanças rápidas na secção transversal, chavetas, furos, etc., em que as concentrações de tensão ocorrem; Descuido com a localização de marcas de identificação, marcas de ferramentas, riscos e rebarbas; projeto de juntas malfeitas; montagem inadequada e outras falhas de fabricação; Composição do material em si, independentemente do processo de fabricação, laminação, forjamento, fundição, extrusão, estiramento, tratamento térmico, etc. Figura 6 Curvas S-N mostrando as diferentes regiões de comportamento dos metais. Fonte: Costa, 2010.

9 Conforme Junior (2006) o comportamento dos metais pode ser dividido em duas regiões: baixo ciclo e alto ciclo como ilustrado na Figura 6, sendo geralmente considerado alto ciclo acima de mil ciclos e baixo ciclo abaixo disto. Nota-se, ainda, a existência de um limite de fadiga (tensão abaixo da qual o material não rompe por fadiga) para alguns materiais, principalmente os ferrosos. 4. Resultados e Discussões Nosso protótipo foi desenvolvidos pelos acadêmicos do Centro Universitário Geraldo Di Biase- UGB (Campus Barra do Pirai /RJ), esse protótipo também atende as exigências da competição da SAE BRASIL. O Protótipo foi construído com tubos de aço SAE 1020 com 32 mm de diâmetro externo e 1,5 mm de parede, por um motivo de custo baixo, fácil manejo e por ter um integrante na equipe que atua com tipos de serviços que envolve soldagens tubulares. Na tabela 1 a seguir, segue as propriedades do material utilizado, e seus respectivos valores. Tabela 1 - Relação de material para fabricação da estrutura do protótipo Mini Baja modelo SAE BRASIL da UGB-BP. Propriedades Valores Dureza 108 HB Resistência à Tração 440 MPa Resistência ao Escoamento 210 MPa Módulo de Elasticidade 205 GPa Coeficiente de Resistência à Fadiga 895 Mpa Expoente de resistência à Fadiga -0,12 Coeficiente de ductilidade à Fadiga 0,41 Expoente de ductilidade à Fadiga, -0,51 Fonte: autores, 2015 Análise estrutural é fase mais importante do projeto, é feita uma simulação do comportamento da estrutura. Esse comportamento pode ser expresso por diversos parâmetros, tais como pelas deformações, deslocamentos e fluxos de tensões na estrutura. Portanto a análise estrutural tem como objetivo a determinação de esforços

10 internos e externos (cargas e reações de apoio), e das diferentes tensões que podemos ter e determinar os deslocamentos e correspondentes as deformações da estrutura que está sendo projetada. Essa análise deve ser feita com possíveis carregamentos e solicitações estipuladas que devem ter critérios da competição baja SAE BRASIL. (DA SILVA, 2009) Segundo Silva et al. (2003) as soldas foram feitas como soldas de extremidades, este procedimento foi aplicado no Pro / Mechanica que necessita para fazer a simulação, para poder gerar a malha de elementos finitos. Existiram também, problemas, quando havia vários tubos sendo soldados no mesmo ponto, pois o software não interpreta soldas uma em cima da outra a solução para este impedimento foi a diminuição do diâmetro externo do tubo, e diminuição da parede de alguns tubos. Modificações foram feitas seguindo uma escala para não ser perdida a relação de medidas dos tubos. Figura 7 - Modelo Estrutural PUC-RS. Fonte: Sobral, p. 45, O protótipo da UGB (Campus Barra do Pirai /RJ) inicialmente foi feito em programa CAD e exportado para o Solidworks, que foi analisado pelo método de elementos finitos da estrutura e processados no ambiente Simulation SolidWorks. Para condição da análise foi utilizada uma metodologia de definição dos engastes, fixando oito pontos da gaiola, representando o mesmo parado (estático). A carga aplicada foi de 5000N, na parte frontal da gaiola, simulando colisão frontal, a fim de

11 analisar regiões críticas, verificando se a estrutura resiste a esse tipo de carga para impacto frontal. Na Figura 8 mostra os pontos de fixação, local e direção da carga aplicada na estrutura. Figura 8 - Demonstração do modelo, engates e carga aplicada na estrutura da UGB- Fonte: Rodrigues & Faria, Após a criação dos modelos estruturais, a análise dos fluxos de tensões das estruturas de cada protótipo deve apresentar suas simulações. Figura 9: Analise da estrutura Fonte: autores, 2015

12 O modelo estrutural da UGB, mostrado na Figura 9, na simulação do fluxo de tensões na estrutura vê-se que a divisão das cargas foram adequadas, pois, nos pontos de aplicação de cargas não vimos a maior concentração de tensões, vimos sim, que eles foram se dissipando para a estrutura em um todo. Devido não ter definido as estruturas bases, as bocas de lobos podem ser diferentes, isso é para facilitar sua montagem, caso tenha que ser alterado favor relatar o mas rápido, atento as seguintes pontos: Figura 10: Corte do tubo 1. Fonte: autores, 2015 Com o design modificado teve menor tempo para manufaturar, a concepção da parte traseira modificada teve facilidade de acesso ao motor e maior distribuição dos esforços em caso de colisão. Os maiores defeitos foram visualizados pela simulação e analise estrutural. E deixando assim novos projetos a serem realizados como o desenvolvimento das suspensões, transmissão e sistema de frenagem. 5. Considerações Finais Neste trabalho abordamos o assunto de analisar a estrutura do veículo off-road UGBaja, que foi projetado e criado pelos alunos da UGB-BP, concluímos que podemos prevenir e evitar acidentes, com isso evitando abandono da competição SAE BRASIL, através das simulações que podemos estipular as possíveis causas de deformação,

13 tensões na estrutura e pontos críticos. Através delas podemos avaliar se a estrutura está apta para competir ou não dentro das regras da SAE BRASIL. Cumprimos todos os objetivos que nos tínhamos propostos dando ênfase na segurança do piloto. Este trabalho foi muito importante para o nosso conhecimento, com a compreensão e aprofundamento deste tema, permitindo uma familiaridade com o real, compreendendo melhor as teorias vistas em sala de aula, além nos permitir desenvolver e aperfeiçoar competências de investigação, seleção, organização e comunicação da informação. Com os resultados das simulações feitas no protótipo da UGB (Campus Barra do Pirai/RJ) foi possível verificar que a estrutura não sofreu nenhuma deformação permanente. A Figura 19 demostra a parte frontal da estrutura após a aplicação da carga e o gráfico de Von Mises, tendo tensão máxima que não ultrapassa o limite de resistência do material SAE As tensões de Von Mises, observando que com a carga aplicada na parte frontal da estrutura não trará nenhum dano a segurança do piloto e também nenhum dano a estrutura. Pois com a força aplicada de 5000N, o resultado mostra uma tensão máxima de 139,246 MPa comparando com o limite de resistência do material que é de 420 MPa o material não irá cisalhar (se romper) e comparando com o limite de escoamento do material que é 210 MPa é possível concluir que não sofrerá nenhuma deformação permanente. 6. Referências ABRAHÃO, Rodrigo Rebello Ribeiro et al. Fadiga de materiais: Uma revisão bibliográfica. Seminário de Iniciação Científica. UFU Uberlândia, BUDYNAS, Richard G.; NISBETT, J. Keith. Elementos de Máquinas de Shigley. McGraw Hill. 8ª Edição. Brasil, COSTA, Leandro Pereira. Avaliação da incerteza de medição no levantamento de curvas de fadiga SN de materiais metálicos a temperatura ambiente. Dissertação de Mestrado à UFRGS. Porto Alegre, COSTA, Leandro Pereira. Avaliação da incerteza de medição no levantamento de curvas de fadiga SN de materiais metálicos a temperatura ambiente. Dissertação de Mestrado à UFRGS. Porto Alegre, 2010.

14 DA SILVA, Andréa Regina Dias. Sistema computacional para análise avançada estática e dinâmica de estruturas metálicas. Tese de Doutorado. Universidade Federal de Ouro Preto, DORNELAS, Geovani Nunes et al. Modelagem E Construção De Um Veículo Do Tipo Off-Road (Mini Baja) Do Centro Universitário Geraldo Di Biase, Campus Barra Do Pirai Rio De Janeiro. EDU.TEC: Revista Científica Digital da Faetec. Rio De Janeiro, v. 1, n. Ano VIII, p /2015. Disponível em: < Acesso em: 4 de outubro de FATEC. História do Baja Disponível em: < Acesso em: 10 de novembro de MENDES, P. Análise Dinâmica de Estrutura, Utilização integrada de modelos de identificação modal e modelos de elementos finitos, PIMENTA, Paulo de Mattos. Fundamentos da Mecânica dos Sólidos e das Estruturas. São Paulo, RODRIGUES, Carlos Victor Barboza; FARIA, Thiago da Silveira. Analise estrutural de um protótipo Mini Baja (UGBaja) do Centro Universitário Geraldo Di Biase f. Monografia (Bacharelado em Engenharia de Mecânica) Instituto de Ciências Exatas e da Terra e de Engenharia. Centro Universitário Geraldo Di Biase, Barra do Piraí/RJ, SAE BRASIL. Baja Disponível em: < Acesso em: 12 de novembro de SAE BRASIL. Baja Disponível em: < Acesso em: 12 de novembro de SOBRAL, Rafael dos Santos. Análise Estrutural para Vida à Fadiga de Um Chassi Tipo Minibaja. Brasília - DF, 2014.