Módulo 01 - Introdução ao Projeto Mecânico Os projetos mecânicos estão intimamente ligados a solução de problemas práticos, envolvendo quase sempre a construção de produtos. Projetar é uma tarefa complexa, que requer diversas habilidades. Um projeto é um processo iterativo com muitas fases interativas. Existem muitos recursos para apoiar o projetista, incluindo fontes de informação como a Internet e diversas ferramentas computacionais de projeto. Há funções a serem desempenhadas pelos códigos e padronizações, bem como uma economia sempre presente, além da segurança e de considerações de confiabilidade do produto. Assim, o foco do projeto deve estar destinado a questões de incerteza que sempre estiveram presentes nos projetos de engenharia, apesar dos métodos que foram desenvolvidos a partir do conhecimento crescente. É dada atenção especial a termos como tensão e resistência e à distinção entre fator de projeto e fator de segurança. A confiabilidade é considerada, assim como unidades, unidades preferenciais e cálculos. Os projetos consistem basicamente em formular um plano para a satisfação de uma necessidade específica quanto em solucionar um problema. Se tal plano resultar na criação de algo tendo uma realidade física, então o produto deverá ser funcional, seguro, confiável, competitivo, utilizável, manufaturável e mercável. Esses termos são definidos da seguinte forma: Funcional. O produto deve apresentar um desempenho que atenda às necessidades e expectativas do consumidor, Seguro. O produto não deve oferecer perigo ao usuário, a circunstantes ou a propriedades vizinhas. Perigos que não podem ser "evitados por projeto" devem se valer de anteparos (envoltórios protetores); se isso não for possível, informações apropriadas ou avisos devem ser fornecidos. Confiável. Confiabilidade é a probabilidade condicional, a um determinado nível de confiança, de que o produto irá desempenhar sua função proposta satisfatoriamente, ou sem falhar a uma determinada idade. Competitivo. O produto deve ser um forte competidor em seu mercado. Utilizável. O produto deve ser "amigável ao usuário", acomodando-se a 1
especificações como tamanho, resistência, postura, alcance, força, potência e controle humanos. Manufaturável. O produto deve ser reduzido a um número "mínimo" de componentes, adequados à produção em massa, com dimensões, distorção e resistência sob controle. Comercial. O produto pode ser comprado, e serviços de assistência técnica devem estar disponíveis. É importante que o projetista comece sabendo como reconhecer uma alternativa satisfatória e como distinguir entre duas alternativas satisfatórias, a fim de identificar a melhor. A partir desse fundamento, estratégias de otimização poderão ser elaboradas e selecionadas. Logo, desdobram-se as seguintes tarefas: Elaborar soluções alternativas. Estabelecer parâmetros de desempenho. Mediante análise e teste, simular e predizer o desempenho de cada alternativa, retendo as satisfatórias e descartando as insatisfatórias. Escolher a melhor alternativa satisfatória descoberta como uma aproximação ao ótimo. Implementar o projeto. A caracterização de uma tarefa de projeto como um problema de projeto pode introduzir a ideia de que, sendo um problema, deve ter uma solução - o que nem sempre é verdade. O espaço de projeto pode ser vazio. Ademais, é possível que algumas situações simplesmente tenham de ser toleradas. A fim de compensar a ausência de soluções, alguma(s) restrição(ões) pode(m) ter de ser negociada(s) para que resoluções possam ser admitidas. Assim, uma vez mais, mesmo quando soluções são possíveis, o projetista pode não ser criativo ou inventivo o suficiente para concebê Ias Isso revela ao problema de projeto a necessidade de talento individual ou de habilidade nessa área. Normalmente há mais de uma solução, de modo que distinguir entre elas, a fim de escolher a melhor, pode requerer a habilidade de lidar com muitas soluções sem ficar abismado. Estas, caso existam, podem ser caracterizadas como satisfatórias, algumas melhores do que outras, outras claramente boas e uma, a melhor, assim determinada por algum critério. Pode também haver uma dependência temporal, de modo que o que é aceitável hoje pode não sê Io 2
amanhã e vice-versa. Projetar é um processo inovador e altamente iterativo. É também um processo de tomada de decisão. Decisões, algumas vezes, têm de ser tomadas com base em muito pouca informação, ocasionalmente com a quantidade certa de informação, ou mesmo com uma fartura de informações parcialmente contraditórias. Projetar é uma atividade de intensa comunicação em que palavras e desenhos são ambos utilizados, assim como formas orais e escritas. Os engenheiros têm de se comunicar efetivamente e trabalhar com pessoas de muitas disciplinas que podem saber mais ou menos do que eles. Essas são habilidades importantes, e o sucesso do engenheiro depende delas. As ferramentas de engenharia (matemática, estatística, computação, desenho e linguagem) são combinadas para produzir um plano que, quando levado a cabo, resulta em um produto funcional, seguro, confiável e competitivo. Entre suas bases disciplinares encontram-se a mecânica dos sólidos e fluidos, o transporte de massa e de momentum, além dos processos de manufatura e das teorias elétrica e de informação. O projeto de engenharia mecânica envolve todas as disciplinas da Engenharia Mecânica. Muitos problemas resistem à compartimentalização. Um simples mancal de deslizamento envolve fluxo de fluido, transferência de calor, fricção, transporte de energia, seleção de material, tratamentos termomecânicos, descrições estatísticas e assim por diante. Um edifício é controlado ambientalmente. As considerações referentes ao aquecimento, à ventilação e ao condicionamento de ar são de tal forma especializadas que há quem fale em projeto de aquecimento, ventilação e ar-condicionado como se isso fosse separado e distinto do projeto de engenharia mecânica. De maneira similar, o projeto de motor de combustão interna, o projeto de turbo maquinaria e o projeto de motor a jato são considerados, algumas vezes, entidades discretas. Os termos adjetivos que sucedem o vocábulo projeto são meramente um auxiliar descritivo do produto para o processo de comunicação. Há termos como projeto de máquinas, projeto de elementos de máquinas, projeto de componentes de máquinas, projeto de sistemas e projeto de potência dos fluidos. Todos são, de alguma forma, exemplos mais focados do projeto de engenharia mecânica. Dependem do mesmo corpo de conhecimento, são similarmente organizados e requerem habilidades semelhantes. O processo completo de projeto é de nosso interesse neste capítulo. Como ele começa? Simplesmente o engenheiro senta-se a uma mesa, com uma folha de papel em 3
branco, e anota algumas ideias? O que acontece a seguir? Que fatores influenciam ou controlam as decisões que têm de ser tomadas? Por fim, como esse processo de projeto termina? O processo completo de projeto, do início ao fim, é frequentemente delineado com o reconhecimento de uma necessidade e de uma decisão envolvendo fazer algo a respeito dela. Após muitas iterações, o processo termina com a apresentação dos planos para satisfazer a tal necessidade. Dependendo da natureza da tarefa de projeto, várias fases de projeto podem ser repetidas ao longo da vida do produto, desde sua concepção até seu término. Considerações de Projeto : Às vezes, a resistência requerida de um elemento em um sistema é um fator importante na determinação da geometria e das dimensões desse elemento. Em tal situação, dizemos que a resistência é uma consideração importante de projeto. Quando utilizamos a expressão consideração de projeto, estamos nos referindo a alguma característica que influencia o projeto do elemento ou, talvez, o sistema inteiro. Comumente, uma boa quantidade de tais características deve ser considerada em uma dada situação de projeto. Muitas das características importantes são como as que seguem (não necessariamente em ordem de importância): 1. Funcionalidade 2. Resistência/tensão 3. Distorção/deflexão/rigidez 4. Desgaste 5. Corrosão 6. Segurança 7. Confiabilidade 8. Fabricabilidade 9. Utilidade 10.Custo 11.Fricção 12.Peso 13.Vida 4
14.Barulho 15.Estilo 16.Forma 17.Tamanho 18.Controle 19.Propriedades térmicas 20.Superfície 21.Lubrificação 22.Mercantilidade 23.Manutenção 24.Volume 25.Responsabilidade 26.Refabricação e recuperação de recursos Algumas dessas características têm a ver diretamente com as dimensões, o material, o processamento e a junção dos elementos do sistema. Outras considerações afetam a configuração do sistema total. BIBLIOGRAFIA 1. Projeto de Engenharia Mecânica SHIGLEY, J.E. 2006 Ed. Bookman 1. Primeira Fase: Princípios da Engenharia Os fundamentos do projeto 1.1 Escolha dos Materiais e a Determinação da Geometria 1.2 Perspectivas de prevenção da falha Exercícios 1 - Conversão de Unidades O peso de um objeto é conhecido em libras força (lbf). Converta-o em unidades de massa nos sistemas (SI),cgs, fps, e ips.tambem convertê-lo e libra massa (lbm). Dados: O objeto esta no nível do mar e pesa = 4500 lbf 5
Respostas: Para o sistema fps m = 139,9 slugs Para o sistema - ips m = 11,66 blobs Para o sistema SI m =2040 kg Para o sistema cgs m = 2,04E6 g Para o sistema lbm m = 4500 2 - Considere que a carga máxima em uma estrutura é conhecida com uma incerteza de ±20% e que a carga causadora da falha-me conhecida com uma incerteza de ±15%%. Se a carga que causa falha é normalmente de 200lbf, determine o fator de projeto e a carga máxima admissível que compensara as incertezas absolutas. Resposta: Carga máxima admissível = 1400 lbf 3 - Uma barra reta de seção transversal retangular sob carregamento axial falhara em desempenhar sua função de projeto se o seu comprimento aumentar em 0,0060 polegada a mais. Deseja-se que o nível de tensões de operação na barra seja inferior `a metade do valor do limite de escoamento Syp >A barra e fabricada em aço 1040HR (Syp=42.000 psi ) com comprimento de 12 polegadas. Qual é o modo de falha dominante mais provável FIPTOL (é previsto ocorrer à falha) Respostas δf máximo δf permitido : FIPTOL 0,0084 0,0060 ( Portanto é previsto ocorrer falha ) 4 - Defina projeto de engenharia e discuta sobre cada conceito da definição. 5 - As fases da atividade de um projeto 6 - Diferencie tensão de deformação ( analise de tensões) 7 - O significado de ética na engenharia 6
8 - Quais as responsabilidades sociais e tecnológicas de um engenheiro 9 - Faça um diagrama de tensão / deformação para três materiais diferentes numa mesma escala indicando para cada caso: 9.1 - Caracterize cada matéria como dúctil ou frágil. 9.2 - Qual e o mais rígido? 9.3 - Qual tem o maior limite de ruptura? 9.4 - Qual tem a maior energia de resiliência? 9.5 - Qual tem a maior energia de tenacidade? 10 - Metodologia de projeto ( indicando as fases) 10.1 - Formulação e calculo do problema 10.2 - Fatores que influenciam na determinação de um coeficiente de segurança 11 - Faça um resumo dos critérios de resistência exemplificando. 7