ANÁLISE ESTRUTURAL ESTÁTICA DO SISTEMA DE DESCARGA DE UMA COLHEITADEIRA UTILIZANDO O SOFTWARE ANSYS .pdf

7/24/2019 ANLISE ESTRUTURAL ESTTICA DO SISTEMA DE DESCARGA DE UMA COLHEITADEIRA UTILIZANDO O SOFTWARE AN

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Renan Tassinari Alves

ANLISE ESTRUTURAL ESTTICA DO SISTEMA DE

DESCARGA DE UMA COLHEITADEIRA UTILIZANDO O

SOFTWARE ANSYS

Horizontina2012


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ANLISE ESTRUTURAL ESTTICA DO SISTEMA DE

DESCARGA DE UMA COLHEITADEIRA UTILIZANDO O

SOFTWARE ANSYS

Trabalho Final de Curso apresentado como

requisito parcial para a obteno do ttulo deBacharel em Engenharia Mecnica, pelo Cursode Engenharia Mecnica da FaculdadeHorizontina.

ORIENTADOR: Richard Thomas Lermen, Doutor em Engenharia.

Horizontina

2012


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FAHOR - FACULDADE HORIZONTINA

CURSO DE ENGENHARIA MECNICA

A Comisso Examinadora, abaixo assinada, aprova a monografia:

Anlise estrutural esttica do sistema de descarga de uma colheitadeira

utilizando o software ANSYS

Elaborada por:


Como requisito parcial para a obteno do grau de Bacharel em

Engenharia Mecnica

Aprovado em: 10/12/2012

Pela Comisso Examinadora

________________________________________________________Prof. Dr. Richard Thomas Lermen

Presidente da Comisso Examinadora - Orientador

_______________________________________________________Prof. Dr. Ademar Michels

FAHORFaculdade Horizontina

______________________________________________________Prof. Me.Ricardo Ferreira SeveroFAHORFaculdade Horizontina

______________________________________________________Prof. Me. Anderson Dal Molin

Coordenador do Curso de Engenharia Mecnica - FAHOR

Horizontina2012


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DEDICATRIA

minha me Glria e meus avs Ronie Nelci, por todos os exemplos, ensinamentos,apoio e dedicao durante toda a minha vida.

minha amada companheira Cludiapelo apoio, pacincia e motivao para seguirem frente.


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AGRADECIMENTOS

Primeiramente gostaria de agradecer aDeus por sempre estar ao meu lado.

minha famlia, que sempre me apoioue me incentivou a seguir em frente e nuncadesistir.

Aos professores e funcionrios daFAHOR, pelos ensinamentos e exemplos querecebi durante toda a graduao. Em especialao professor Richard pela dedicao aplicadadurante o desenvolvimento deste trabalho.

AGCO, que me acolheu muito bem epermitiu que realizasse este trabalho. Emespecial ao meu gerente Zenir e ao meuorientador Alberto.

Aos meus colegas, que se tornaramgrandes amigos ao longo desta jornada.

Desejo-lhes muito sucesso e satisfao.


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RESUMO

O trabalho consiste na realizao de uma anlise estrutural esttica, atravsdo mtodo de elementos finitos, de uma estrutura tubular do sistema de descarga de

gros de uma colheitadeira. O objetivo do estudo identificar na estrutura os pontoscom as maiores concentraes de tenses e avaliar a confiabilidade da estrutura. Aanlise foi executada no mdulo Mechanical do ANSYS para a condio onde seespera que ocorram as maiores deformaes. Para a formulao do problema foramconsiderados o efeito das juntas parafusadas e unies soldadas existentes entre oscomponentes da estrutura. Os resultados foram representados graficamente atravsdas deformaes totais e das tenses de von Mises. O estudo provou que aintegridade da estrutura no foi comprometida para as condies de contornoaplicadas.

Palavras-chaves:Anlise estrutural Mtodo de elementos finitos Sistema de descarga de

gros


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ABSTRACT

This paper consists of carrying out a static structural analysis, by the finiteelement method, of a tubular discharge system of a grain combine harvester. Theobjective of the study is to identify structure points with the highest stress

concentrations and assess the reliability of the structure. The analysis was performedin ANSYS Mechanical undo the condition where it is expected that the greatestdeformation occurs. In order to formulate the problem, the effect of bolted joints andsoldered joints between the components of the structure were considered. Theresults were plotted using the total deformation and von Mises stresses. The studyproved that the structural integrity was not compromised within the boundaryconditions imposed.

Keywords:Structural analysis - Finite element method - Grain unloading system


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LISTA DE FIGURAS

Figura 1: Cubo de tenses. ..................................................................................................................4Figura 2: Malha de elementos finitos.................................................................................................8Figura 3: Graus de liberdade em um ponto......................................................................................9Figura 4: Tipos de elementos............................................................................................................10Figura 5: Resultado do refinamento da malha. ...............................................................................11Figura 6: Posies do sistema de descarga...................................................................................12Figura 7: Componentes do sistema de descarga...........................................................................13Figura 8: Pontos A e B de fixao do sistema de descarga Turrent...........................................14Figura 9: Vista em corte dos pontos de mancalizao. .................................................................14Figura 10: Condies de contorno aplicadas ao sistema de descarga......................................16Figura 11: Unio atravs do cordo de solda.................................................................................16Figura 12: Cilindro utilizado para representar o parafuso. ............................................................17Figura 13: Vista em corte da junta parafusada...............................................................................18Figura 14: Mancalizao do ponto B. ...............................................................................................18Figura 15: Mancalizao do ponto A. ...............................................................................................19

Figura 16: Fora aplicada ao sistema de descarga.......................................................................19Figura 17: Distribuio da malha de elementos finitos. .................................................................20Figura 18: Deformaes resultantes em mm. .................................................................................22Figura 19: Tenses de von Mises. ....................................................................................................22Figura 20: Tenses de von Mises no tubo vertical.........................................................................23Figura 21: Tenses de von Mises na curva....................................................................................23Figura 22: Tenses de von Mises no tubo horizontal....................................................................24


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LISTA DE SIMBOLOS

rea m Comprimento inicial m

Comprimento final m

Coeficiente de Poisson Deformao m Distoro m Energia de distoro W Fora N Mdulo de elasticidade transversal Pa

Mdulo de Young Pa

Tenso normal Pa Tenso de cisalhamento Pa Tenso de von Misses Pa Tenso mxima de cisalhamento Pa


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SUMRIO

1. INTRODUO .....................................................................................................................................1

2. REVISO DA LITERATURA ...............................................................................................................3

2.1 PRINCPIOS DA RESISTNCIA DOS MATERIAIS............................................................... .................. 32.1.1TENSES E DEFORMAES.............................................................. ............................................................. 32.2TEORIADEFALHAS............................................................. ................................................................. ....... 62.2.1TEORIA DA ENERGIA DE DISTORO (VON MISES).................................................................. ..................... 62.3ANLISEDEELEMENTOSFINITOS....................................................................................... .................. 72.3.1MTODO DE ELEMENTOS FINITOS................................................................................................................. 72.3.2ESCOLHA DOS ELEMENTOS.................................................................................................................... ....... 92.4COLHEITADEIRADEGROS........................................................ ........................................................... 112.4.1SISTEMA DE DESCARGA DE GROS............................................................ ................................................. 12

3. METODOLOGIA ............................................................................................................................... 13

3.1.ANLISEPRELIMINAR............................................................................................................................. 133.2.PR-PROCESSAMENTO......................................................................................................................... 16

3.3.RESOLUODOPROBLEMA................................................................ ................................................. 20

4. APRESENTAO E ANLISE DOS RESULTADOS ..................................................................... 22

CONSIDERAES FINAIS .................................................................................................................. 25

REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS..................................................................................................... 26


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1. INTRODUO

Durante a colheita, a colheitadeira est submetida a diversos esforos

e oscilaes causados por fatores externos, muitas vezes imprevisveis. Um

exemplo so as desuniformidades e imperfeies existentes nos solos das

lavouras. Mesmo assim, necessrio que os fabricantes forneam produtos

que suportem estas variaes, sem prejudicar sua funcionalidade e integridade

at o fim da vida til estipulada para o produto. Para que isso acontea

necessrio que as colheitadeiras passem por diversas etapas de validao, as

quais podem ser atravs de modelos fsicos ou virtuais, e homologao at o

seu lanamento.

Nos perodos de testes fsicos, em condies de colheita busca-se,

geralmente, aperfeioar os sistemas de trilha, separao e limpeza, que so os

que mais influenciam na eficincia da colheitadeira. Alteraes de projeto e

falhas nesta etapa podem prejudicar o lanamento do produto porque as

janelas de colheitas esto tornando-se cada vez mais curtas e a rotao das

culturas plantadas pode gerar intervalos de at um ano at que se repitam as

mesmas condies. E isto resultar em prejuzo para a empresa.

esperado que sistemas auxiliares como o de descarga de gros j

estejam funcionando corretamente e no prejudiquem os testes dos outros

sistemas. Uma maneira para fazer com que isto acontea a realizao de

testes virtuais, atravs de simulaes em softwares, durante o desenvolvimento

do projeto, evitando desperdcio de tempo durante a validao e tambm

prejudicar o restante do projeto.

A soluo de problemas fsicos atravs de modelos matemticos como

o mtodo de elementos finitos est se tornando uma prtica comum durante odesenvolvimento de projeto de sistemas mecnicos. Atravs de sistemas

assistidos por computadores (Computer Aided Systems CAE) possvel

analisar a confiabilidade do modelo virtual (Computer Aided DesignCAD)

de estruturas mecnicas antes de se iniciarem as validaes nos prottipos

fsicos.

O objetivo principal do estudo em questo realizar a anlise estrutural

do sistema de descarga, que est sendo desenvolvido pela AGCO, atravs daaplicao do mtodo de elementos finitos. Os objetivos especficos so


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determinar a condio crtica de trabalho, analisar como se comportar a

estrutura para esta condio e identificar na estrutura as regies com as

maiores concentraes de tenses.


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2. REVISO DA LITERATURA

2.1 PRINCPIOS DA RESISTNCIA DOS MATERIAIS

A resistncia dos materiais o campo da cincia e da tcnica que

estuda o dimensionamento e a otimizao da forma dos componentes e das

estruturas que compem os sistemas de engenharias. Seu princpio bsico

consiste em limitar o valor das tenses que atuam nos componentes em

valores que no permitam a ocorrncia de falhas. Atravs da sua aplicao

possvel garantir a integridade e funcionalidade dos sistemas de engenharia ao

longo de suas vidas teis. (BOSCH, 2005)

Segundo Bosch (2005), As falhas podem ser efeito das tenses que o

sistema est submetido, das condies ambientais, da corroso e da radiao.

As principais falhas que ocorrem em estruturas mecnicas so formaes de

trincas, fraturas, deformaes inaceitveis plsticas ou elsticas e

instabilidade por flambagem.

2.1.1 Tenses e deformaes

As tenses internas em componentes so resultado das deformaes

causadas quando este for submetido a foras externas e seu formato original

for modificado. Segundo CALLISTER (2002) a tenso normal () definidapela Equao 1:

(1),

onde

a carga instantnea aplicada perpendicularmente sobre uma seo de

rea . A deformao () definida na Equao 2:

(2),

onde, o comprimento original antes que qualquer carga seja aplicada e o comprimento instantneo aps a aplicao das foras externas. A

correlao entre deformao elstica e tenso pode ser expresso atravs da

Lei de Hooke (Equao 3) (CALLISTER, 2002):


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(3)As Equaes (1), (2) e (3) geralmente, so utilizadas no projeto de

componentes quando ele estiver submetido a uma carga uniforme em apenas

um sentido, ou seja, quando ele estiver submetido apenas compresso,

trao ou cisalhamento.

Em estruturas submetidas a foras externas as tenses so geralmente

distribudas atravs de uma funo continua dentro do material e qualquer

elemento infinitesimal do material capaz de sofrer diferentes tenses ao

mesmo tempo. Estes elementos podem ser modelados como cubos conforme

mostra a Figura 1. Este cubo est sujeito a tenses normais (), que atuamperpendicularmente s faces do cubo e tendem a tracionar ou comprimir, ou

atravs de tenses de cisalhamento (), que atuam paralelamente as faces docubo em pares, e tendem a distorcer o cubo (NORTON, 2006).

Figura 1: Cubo de tenses. Fonte: Adaptado de Kim et al., 2011, p. 17.

Conforme Kim et al. (2011), as tenses em um ponto qualquer de um

slido podem ser completamente representadas em trs dimenses usando

notao matricial atravs da matriz de tenses [], onde:

[

](4)


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5

A maioria dos materiais de aplicao mecnica so isotrpicos e sua

aplicao est restringida dentro de seu limite elstico. Conforme Norton

(2006), as deformaes em qualquer ponto na estrutura possuem uma relao

linear elstica com as tenses atravs da lei de Hooke. Desta forma, as

deformaes tambm podem ser representadas atravs de uma matriz de

deformaes [], onde a deformao especifica normal gerada pela tensesnormal e a distoro causada pelas fora cisalhante.

[ ] (5)

Para materias isotrpicos, a relao entre as tenses principais e as

deformaes principais pode ser descrita atravs da simplificao da Lei de

Hooke generalizada, conforme mostram as Equaes 6 e 7 (KIM at al., 2006):

{ } [

] {} (6),

(7),

onde o mdulo de Young, , e o coeficiente de Poisson, , so duas constanteselsticas independentes e G o modulo de elasticidade transversal, expresso

pela Equao 8.

(8)Segundo Kim et al. (2011), as relaes tridimensionais para estruturas

podem ser simplificadas para relaes bidimensionais, conforme Equao 9

quando o componente possuir espessura fina.

{} [

] {

} (9)


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2.2 TEORIA DE FALHAS

Conforme Kim et al. (2011), A falha em materiais de engenharia pode

ser classificada em dctil e frgil. A maioria dos metais dctil e sua falha se

d pelo escoamento. Por isso a resistncia ao escoamento caracteriza a sua

falha. As cermicas e alguns polmeros so frgeis e eles se rompem ou se

fraturam quando a tenso supera determinado valor mximo. O comportamento

de sua tenso-deformao linear at o ponto de falha, e eles falham

abruptamente.

Para anlise de slidos constitudos de material dctil existem a teoria

da energia de distoro (von Mises) e a teoria da mxima tenso cisalhante

(Tresca), enquanto que para a anlise de material frgil utilizada a teoria da

tenso principal mxima (Rankine) (BUDYNAS et al., 2006).

O sistema de descarga ao qual este estudo dirigido constitudo

elementos produzidos em ao dctil e por isto apenas a teoria da energia de

distoro, considerada por Budynas et al. (2006) mais conservativa foi utilizada

na anlise de falhas.

2.2.1 Teoria da energia de distoro (von Mises)

Conforme Kim et al. (2011), quando existe mudana de forma em um

slido causado por foras externas tambm existe o armazenamento, no

slido, de energia potencial, chamada de energia de deformao. Esta energia

de deformao constituda de dois componentes, um devido dilatao ou

variao de volume e outro devido distoro ou variao do formato,

respectivamente, denominados como energia de dilatao e energia de

distoro. A energia de distoro denominada atravs da Equao 10,onde a tenso de von Mises definida em termos das tenses principaisdo componente ( ).

(10),

(11)


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Segundo Budynas et al. (2006), a teoria da energia de distoro

estipula que a falha no material ocorrer por escoamento quando a energia de

distoro por unidade de volume exceder a energia de distoro necessria

para romper o material atravs de um ensaio de trao. Desta forma a falha

ocorrer quando . Para situaes onde o componente estiversubmetido a apenas cisalhamento, o material escoa quando .2.3 ANLISE DE ELEMENTOS FINITOS

Em estudo do comportamento de sistemas fsicos so utilizados

modelos fsicos (usualmente em escala reduzida) e/ou modelos matemticos.

O avano da cincia e o cotejamento entre esses modelos tem motivado um

grande desenvolvimento dos modelos matemticos, propiciando modelagens

realsticas, confiveis e de aplicaes prticas na engenharia, muito mais

econmicas do que os modelos fsicos (SORIANO, 2003).

Entre os modelos matemticos, o mtodo de elementos finitos foi

desenvolvido para a anlise de meios contnuos e atualmente pode ser

utilizado para anlise de todos os sistemas fsicos dos quais trata a engenharia.

O mtodo de elementos finitos (MEF) um dos mtodos

numricos para resolver equaes diferenciais que descrevem muitosproblemas de engenharia. O MEF, que teve origem na rea damecnica estrutural, foi estendido a outras reas da mecnica dosslidos e posteriormente a outros campos como transferncia decalor, dinmica dos fluidos e eletromagnetismo. Na realidade, o MEFfoi reconhecido como uma ferramenta poderosa para resolverequaes diferencias e equaes integrodiferenciais e, em um futuroprximo, pode se tornar o mtodo numrico preferido de muitas reasda engenharia e das cincias aplicadas. Um dos motivos para suapopularidade que o mtodo resulta em programas computacionaisnaturalmente versteis (Kim at al., 2011, p. 49).

2.3.1 Mtodo de elementos finitosSegundo Bosch (2005), a aplicao do mtodo de elementos finitos

consiste na diviso de qualquer corpo em elementos de forma simples (reta,

tringulo, quadrado, tetraedro, pentaedro ou hexaedro), to pequenos quanto

possvel e que estejam permanentemente conectados entre si atravs de seus

vrtices (ns). O princpio bsico consiste na linearizao de todos os

processos utilizando equaes lineares que descrevem o comportamento dos

ns.


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De acordo com Cesa (2010), o mtodo dos elementos finitos considera

a regio (contnuo) de soluo do problema formada por pequenos elementos

interligados entre si, conforme Figura 2. A regio em estudo modelada ou

aproximada por um conjunto de elementos discretos pr-definidos. Uma vez

que estes elementos podem ser colocados juntos em um nmero incontvel de

diferentes configuraes, pode-se modelar formas geomtricas bastante

complexas. Alm disso, possibilita que o projetista tenha bastante flexibilidade

na aplicao de cargas e condies de contorno, o que torna este mtodo o

mais amplamente utilizado para anlises estruturais.

Figura 2: Malha de elementos finitos. Fonte: Souza, 2003 p. 1.

O conjunto de ns e elementos utilizado para a discretizao do

modelo denominado de malha. Segundo Budynas et al. (2006), os ns so

as entidades fundamentais dos elementos, so nos ns que os elementos seconectam entre si, onde as propriedades elsticas do elemento so

estabelecidas e onde as foras e condies de contorno so definidas. Os ns

possuem graus de liberdade, que correspondem aos possveis movimentos

rotacionais e translacionais que eles podem sofrer, conforme mostra a Figura 3.


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Figura 3: Graus de liberdade em um ponto. Fonte: Souza, 2003 p. 5.

Atravs do uso de funes polinomiais integradas a matrizes pode-se

definir o comportamento elstico de cada elemento, atravs da Equao 12

(KIM et al., 2006).

(12),onde a matriz de rigidez do elemento, o vetor dos graus deliberdade associado com o elemento e o vetor das foras que agem noelemento.

Depois que todos os elementos da estrutura forem definidos localmente

na forma de matrizes, possvel montar a matriz global, que descreve o

comportamento da estrutura, atravs das conexes existentes entre os ns dos

elementos atravs da Equao 13.

(13),onde, a matriz de rigidez global, o vetor dos graus de liberdadeconhecidos e o vetor das foras conhecidas.2.3.2 Escolha dos elementos

Segundo Alves (2000), o ponto principal para a elaborao do modelo

CAE a escolha dos elementos que representaro cada trecho da estrutura.

Deve-se buscar identificar como ser o comportamento fsico em cada trecho

da estrutura e a partir deste entendimento partir para a escolha dos elementos


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finitos na biblioteca do software. Os elementos podem ser representados de

vrias formas, conforme mostra a Figura 4.

Figura 4: Tipos de elementos. Fonte: Souza, 2003 p. 2.

A malha refinada, ou seja, a quantidade de elementos aumentada,

entre as anlises, para aumentar a qualidade dos resultados em reas comgrandes concentraes de tenses e zonas de transies geomtricas.

Normalmente os resultados da anlise de elementos finitos converge para o

resultado real quando a malha continuamente refinada, e consequentemente,

o grau das equaes polinomiais (P) utilizadas na soluo so aumentadas,

conforme mostra a Figura 5 (BUDYNAS et al., 2006).


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Figura 5: Resultado do refinamento da malha. Fonte: TSD Engineering.

A malha gerada automaticamente pelos softwares de elementos

finitos e normalmente durante a primeira analise utiliza-se uma malha grosseira

onde no definida nenhuma rea de refinamento. A partir dos resultados

possvel ento, identificar as reas com maior concentrao de tenses e

aplicar refinamentos nestas regies at que os resultados comecem a

convergir para o resultado exato. Quanto maior for a quantidade de elementos

utilizado para a soluo da analise, maior ser tambm o tempo de

computao necessrio para a gerao dos resultados (Norton, 2006).

Bosch (2005) afirma que a qualidade do resultado da anlise ir variar

conforme a qualidade da equao e do tamanho da malha.

2.4 COLHEITADEIRA DE GROS

Atualmente existem diversas mquinas e equipamentos agrcolas que

so utilizados durante as etapas de produo de alimentos. Entre elas, ascolheitadeiras de gros so mquinas autopropelidas utilizadas na etapa de

colheita de cereais. Elas desempenham papel fundamental para o sucesso da

colheita, sendo capazes de realizar o corte da cultura, separar os gros da

palhada e armazen-los.

De acordo com Hher Jr. (2011), as colheitadeiras podem variar quanto

a sua construo e so classificadas conforme o sistema de trilha e separao

que possuem. Elas podem apresentar sistema convencional, sistema axiallongitudinal e o sistema hbrido.


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2.4.1 Sistema de descarga de gros

Independente da classificao da colheitadeira, ela necessitar possuir

um sistema de descarga. Este sistema de descarga tem a funo de

transportar e descarregar os gros que j foram separados da vagem e esto

armazenados no tanque de gros para caminhes ou tanques graneleiros, que

por sua vez transportaro os gros para silos de armazenamento ou unidades

de processamento.

A maioria dos fabricantes de colheitadeiras adotam uma configurao

padro para os sistemas atuais. Os sistemas de descargas atuais realizam o

transporte de gros atravs de roscas transportadoras que esto montadas

dentro uma estrutura tubular, formando o conjunto chamado de tubo de

descarga. Para que seja mantida a largura da colheitadeira, no caso de

transporte, o tubo de descarga tipicamente pivotado entre uma posio

retrada, onde o tubo disposto longitudinalmente na colheitadeira, e uma

posio de descarga, onde o bocal de descarga disposto transversalmente

espaado do corpo da mquina, conforme Figura 6. Atuadores hidrulicos

normalmente so utilizados para mover o tubo entre as duas posies

(HOLLATZ, 2012).

Figura 6: Posies do sistema de descarga. (a) tubo recolhido; (b) tubo na posio dedescarga. Fonte: Adaptado de Dillon, 2007, p3 e p4.


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3. METODOLOGIA

O sistema de descarga, ao qual a anlise de elementos finitos foi

aplicada, do tipo Turrent, ou canho, conforme mostra a Figura 7. Ele

formado por uma estrutura tubular composta pelos conjuntos soldados (tubo

vertical, curva e tubo horizontal), dois helicides que so utilizados para realizar

a descarga dos gros e suportes para mancalizao dos mesmos.

Figura 7: Componentes do sistema de descarga.

A metodologia utilizada para soluo da anlise de elementos finitos

composta de trs etapas: anlise preliminar; pr-processamento; resoluo do

problema.

3.1. ANLISE PRELIMINAR

Na anlise preliminar buscou-se prever o comportamento do sistema,isto , determinar os esforos sofridos pelo sistema e definir as condies de

contorno para o estudo.

A estrutura foi projetada para ser montada na colheitadeira em dois

pontos e a unio entre os componentes da estrutura feita atravs de juntas

parafusadas, conforme representado na Figura 8.


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Figura 8: Pontos A e B de fixao do sistema de descarga Turrent.

O ponto A montado dentro do tanque de gros, onde a flange do tubo

vertical fixada entre duas chapas, conforme Figura 9-a e 9-b, formando uma

espcie de sanduche que permite que a estrutura exera rotao entre o eixo

formado pelos pontos A e B. O ponto B, mostrado na Figura 9-c, na parte

superior da estrutura, formado por um embuchamento que serve de apoio

para que a estrutura gire sobre AB, e diminui o momento toror gerado no

ponto A pelo tubo horizontal em balano.

Figura 9: Vista em corte dos pontos de mancalizao. (a) Mancal A; (b) detalhe domancal A; (c) Mancal B.


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Para a simplificao da anlise foram utilizadas apenas as estruturas

tubulares e as chapas de fixao e mancalizao. Os outros componentes

foram suprimidos. Sendo considerada a massa do helicide horizontal, de 48

kg, aplicada em seu centro de gravidade. A massa do helicide vertical foi

excluda do estudo porque ele est apoiado no fundo do tanque de gros, o

qual no faz parte deste estudo.

Durante a colheita, possvel que em determinado momento o sistema de

descarga esteja preenchido com o gro da cultura que est sendo colhida. A

massa distribuda sobre a superfcie do tubo horizontal quando o sistema

estiver cheio foi levada em considerao durante a anlise. A massa distribuda

no tubo vertical foi excluda do estudo porque a inclinao na vertical pequena e grande parte da massa estar sobre o helicide vertical que no

est apoiado na estrutura do estudo.

Atravs do software Pro-Engineer foi determinado que o tubo horizontal

capaz de armazenar 248,7 litros e a massa distribuda varia conforme a

densidade da cultura de cereal que est sendo colhido pela mquina. Para

realizao da anlise foi considerado a massa especifica do trigo de 772 kg/m,

conforme ANSI/ASAE D241.4. Desta forma, aproximadamente, 192 kg estarodistribudos sobre a estrutura.

Para a realizao da anlise, a condio de contorno (crtica) foi

definida para a situao em que o tubo encontra-se totalmente cheio e

considera-se que uma acelerao (a) de 1.5 g est atuando sobre o sistema no

sentido vertical com direo para baixo. A soma da massa do cereal que est

no tubo horizontal e a massa do helicide horizontal foi aplicada como uma

fora (F) pontual no centro de gravidade do tubo horizontal, com intensidade de

2400 N. As condies de contorno aplicadas na anlise esto representada na

Figura 10. A posio do centro de gravidade (CG) do tubo horizontal foi

determinada atravs do Pro-Engineer e a acelerao utilizada resultado de

coletas realizadas em sistemas de descarga similares em colheitadeiras da

AGCO, para condies normais de colheita.


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Figura 10: Condies de contorno aplicadas ao sistema de descarga.

3.2. PR-PROCESSAMENTONesta etapa foi realizada a preparao do modelo para a anlise de

elementos finitos. Ela abrange desde a criao da malha do modelo at a

aplicao das condies de contorno do sistema. Ela foi realizada no modulo

Mechanical do ANSYS utilizando o modelo CAD existente e disponibilizado

pela AGCO.

O primeiro passo foi adicionar ao modelo os cordes de solda

existentes entre os componentes. A criao dos cordes foi feita no software

Pro-Engineer dentro do modelo da estrutura j existente. Aps a criao dos

cordes foram definidos manualmente no ANSYS os contatos entre os

componentes que compem cada conjunto soldado. O contato entre as chapas

no existe diretamente, mas por meio dos cordes de solda, conforme mostra a

Figura 11. Todas as unies de solda foram consideradas como contatos

colados (bonded) no ANSYS.

Figura 11: Unio atravs do cordo de solda.


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A unio entre os conjuntos soldados que compem a estrutura feita

atravs de juntas parafusadas. Todos os parafusos utilizados so especificados

conforme norma ISO 4017 M10 e suas propriedades mecnicas obedecem a

classe 8.8 da norma ISO 898-1 com tenso mxima de escoamento de 650

MPa.

Para representar o efeito da junta parafusada no modelo de elementos

finitos foram modelados no software Pro-Engineer cilindros com um rebaixo

central conforme mostra a Figura 12 e montados onde existe a unio

parafusada no sistema.

Figura 12: Cilindro utilizado para representar o parafuso.

O dimetro do rebaixo central do cilindro de 10 mm, igual ao dimetrodo parafuso, e o comprimento (L) varia conforme a espessura do conjunto de

chapas que so unidas.

Para a criao dos contatos entre as juntas parafusadas foi

considerado que as faces adjacentes ao rebaixo dos parafusos esto fixas s

faces externas dos flanges atravs de contatos colados (bonded), conforme

mostra Figura 13. No rebaixo do cilindro foi aplicada a pr-carga (Fi) de 19,5 kN

para cada parafuso, correspondente fora utilizada para fazer o aperto do

parafuso. Entre as flanges foram adicionados contatos com atrito (frictional)

com coeficiente atrito () de 0,2. Os valores de Fi e foram extrados do

manual para o clculo de juntas parafusadas VDI 2230-1 (2003).


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Figura 13: Vista em corte da junta parafusada.

No ponto de mancalizao superior B do sistema foi utilizada uma

bucha para representar o suporte fixao (fixed support). O contato do

suporte e a estrutura foi criado entre a bucha e o eixo do conjunto curva,

conforme Figura 14. O contato foi criado sem atrito (frictionless).

Figura 14: Mancalizao do ponto B. (a) representao do contato de fixao; (b)detalhe em corte.

No ponto de mancalizao A o suporte rgido (fixed support

) foi

aplicado na chapa de base, sobre a qual o tubo vertical est apoiado. Entre o


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tubo vertical e as chapas de base e superior foram aplicados contatos sem

atrito (frictionless) que permitem que o tubo exera o movimento de giro.

Entre a chapa espaadora e a face externa do flange do tubo vertical tambm

foram adicionados contatos sem atrito (frictionless). Entre o espaador e a

base e entre o espaador e a chapa superior foram aplicados contatos colados

(bonded). A Figura 15 representa os contatos no ponto A.

Figura 15: Mancalizao do ponto A.

A fora causada pelas massas do helicide e do material no tubo de

descarga foi aplicada no centro de gravidade do tubo horizontal atravs de um

ponto remoto no centro da circunferncia, conforme Figura 16. A fora foi

aplicada no sentido vertical com intensidade 2400 N direcionada para baixo.

Figura 16: Fora aplicada ao sistema de descarga.


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3.3. RESOLUO DO PROBLEMA

Nesta etapa foram geradas as malhas dos elementos do sistema e

aplicado o mtodo de elementos finitos para encontrar a soluo. A anlise

aplicada foi estrutural esttica e foi realizada no mdulo Mechanical do ANSYS.

Todos os elementos que compem a estrutura do sistema de descarga

so compostos de ao com as mesmas propriedades mecnicas. A Tabela 1

descreve as propriedades do material que foram utilizadas para soluo do

problema.

Tabela 1. Propriedades do material. Fonte: ANSYS (2012)

Propriedades do material

Tenso de ruptura () 460 MPa

Tenso de escoamento (e) 250 MPa

Mdulo de Young (E) 210 GPa

Coeficiente de Poisson () 0,3

Massa especfica () 7850 kg/m

Temperatura (T) 22C

Foram utilizados elementos slidos para a gerao da malha da

estrutura, sendo necessria a aplicao de refinamentos para que o resultadoconvergisse. A malha da estrutura formada por 102.739 elementos e 238.887

ns. A Figura 17 ilustra como esto arranjados os elementos na estrutura.

Figura 17: Distribuio da malha de elementos finitos.


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A soluo do problema foi executada em duas etapas. Na primeira

etapa realizou-se a pr-carga das unies parafusadas, para que todas as

folgas entre os contatos fossem eliminados e na segunda etapa foram

aplicadas a fora vertical de 2400 N e a acelerao de 1.5 g.


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4. APRESENTAO E ANLISE DOS RESULTADOS

Aps a concluso da metodologia utilizada os resultados encontrados

foram analisados.

Uma das anlises realizada foi quanto as deformaes existentes no

sistema. A figura 18 mostra as deformaes encontradas. A deformao

mxima ocorre na extremidade livre do tubo em balano, com valor de 8,2 mm.

Figura 18: Deformaes resultantes em mm.

Os resultados das tenses foram calculados atravs da equao de

von Mises. A Figura 19 mostra que em nenhuma regio da estrutura as tenses

excedem o limite do material de 250 MPa.

Figura 19: Tenses de von Mises.

Para representar os pontos com maiores concentraes de tenses, os

conjuntos soldados foram analisados individualmente. No tubo vertical

observou-se que as maiores concentraes de tenses ocorreram entre a

unio soldada do flange superior com o tubo, conforme Figura 20. A regio da


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solda oposta ao tubo horizontal em balano apresentou tenso mxima de 207

MPa.

Figura 20: Tenses de von Mises no tubo vertical.

No conjunto curva, as maiores tenses foram encontradas no reforo

inferior do conjunto e na junta soldada do mancal superior, conforme mostra a

Figura 21. O reforo inferior esteve submetido compresso e a tenso

mxima foi de 145 MPa. A junta soldada apresentou tenso mxima de 218,5MPa. As duas regies apresentaram as maiores concentraes porque

atravs delas que transmitido o momento causado pelo tubo horizontal no

eixo AB formado pelos mancais superior e inferior.

Figura 21: Tenses de von Mises na curva.


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A Figura 22 mostra que no tubo horizontal os valores mximos de

tenses foram encontrados na solda existente em um dos reforos superiores.

Nesta regio, a solda esteve submetida trao causada pelo tubo em

balano, com mxima de 173 MPa.

Figura 22: Tenses de von Mises no tubo horizontal.

Durante a realizao da anlise foi observado que as regies ondeapareceram as maiores concentraes de tenses esto sobre um plano

vertical que passa pelo centro do tubo horizontal. Isto significa que o momento

gerado pelo tubo horizontal na estrutura tem grande influncia na integridade

da estrutura.


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CONSIDERAES FINAIS

De acordo com os resultados obtidos nas anlise realizadas, as

seguintes concluses podem ser retiradas:

- Foi realizada a anlise estrutural esttica do sistema de descarga de

gros;

- O estudo comprovou que a estrutura do sistema de descarga de gros

est adequada para a aplicao;

- Foram identificadas as zonas de maiores concentraes de tenses,

as quais localizam-se nas unies soldadas;

- Foi identificado que a tenso mxima ocorre na junta soldada do

conjunto curva, causado pelo tubo horizontal em balano.

- Foi observado que o momento gerado pelo tubo horizontal na

estrutura tem grande influncia na integridade do conjunto.


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Documents

ANÁLISE ESTRUTURAL ESTÁTICA DO SISTEMA DE DESCARGA DE UMA COLHEITADEIRA UTILIZANDO O SOFTWARE ANSYS .pdf