Universidade de São Paulo Escola de Engenharia de São Carlos

Departamento de Engenharia Mecânica

ANÁLISE MECÂNICA DE COMPONENTE UTILIZANDO O

SOFTWARE ANSYS

Disciplina: SEM391 – Engenharia Auxiliada por Computador

Prof. Ernesto Massaroppi Júnior

Beatriz Flores Coutinho Porfírio – nº 7170855

Bruna Callegari – nº 7170917

São Carlos, dezembro de 2013

Sumário Objetivos ........................................................................................................................... 1

Introdução ......................................................................................................................... 1

Procedimentos .................................................................................................................. 2

Resultados ......................................................................................................................... 6

Conclusão .......................................................................................................................... 8

Referências ........................................................................................................................ 8

Análise Mecânica de Componente Utilizando o Software ANSYS

Objetivos

Este trabalho teve como objetivo a realização da análise mecânica de um

componente qualquer (no caso, uma chave combinada), por meio do software de CAE

(Engenharia Auxiliada por Computador) ANSYS, através da técnica de elementos

finitos.

Introdução[1]

Engenharia Auxiliada por Computador, ou Computer Aided Engineering (CAE), é

uma ferramenta de trabalho que utiliza o computador para dar suporte à engenharia,

auxiliando-a no desenvolvimento de projetos, por meio de análises predefinidas, tais

como: análises estáticas, dinâmicas, térmicas, magnéticas, de fluidos, acústicas, de

impacto e simulações. Sendo assim, o CAE é uma ferramenta poderosa para redução

de custos de um projeto, minimizado o tempo de lançamento do produto final.

O CAE está sustentado em ferramentas de CAD avançadas, as quais permitem

não apenas definir as dimensões do produto concebido, como também outras

características, como materiais, acabamentos, processos de fabricação e de montagem

e até interações com elementos externos, como forças aplicadas, temperatura, etc.

Assim, pode-se criar protótipos virtuais dos produtos, simulando sobre eles as

condições de uso e, assim, efetuar estudos prévios de estabilidade, resistência e outros

comportamentos. Para estes estudos, empregam-se amplas bases de dados e técnicas

de análise por elementos finitos, programadas em módulos, que se integram nas

ferramentas de CAD/CAE.

O processo principal do CAE é o método de análise por elementos finitos (MEF).

O MEF considera que um produto de forma irregular pode ser subdividido em

elementos finitos de tamanho menor, que podem ser tratados individualmente por

uma fórmula de tensão, sendo o efeito agregado à soma dos efeitos de todos os

elementos finitos do objeto. A análise por elementos finitos não é restrita apenas a

estruturas mecânicas, podendo ser aplicado aos vários problemas sob forma arbitrária,

cargas e condições de contorno quaisquer. Outra vantagem do método é a semelhança

física entre a malha de elementos finitos e a estrutura real, facilitando a visualização

dos resultados da análise.

Os sistemas CAE têm as seguintes vantagens:

Redução de tempo e custo na realização de um projeto;

Alterações podem ser feitas rapidamente;

Possibilidade de se corrigir e testar um projeto, evitando assim a necessidade de

construção de um protótipo, o que demanda muito tempo;

1

Permitem a eliminação ou uma significativa redução na quantidade de protótipos

de teste a serem construídos;

A eficiência do projeto é melhorada;

A realização de cálculos complexos na fase de engenharia por computador aumenta

a produtividade, pois agiliza o processo;

Permitem simular o processo de fabricação do produto;

A detecção de erros na fase de engenharia reduz o custo com as correções de

projeto;

Maior confiabilidade e qualidade para o produto.

Os sistemas CAE apresentam, por outro lado, as seguintes desvantagens:

Necessitam de estações de trabalho dedicadas para realização dos cálculos

complexos;

Não mostram qual o problema, apenas processam e exibem os resultados que, por

sua vez, necessitam de passar por uma mão-de-obra especializada para interpretá-

los;

Nem sempre a utilização de protótipos pode ser descartada totalmente, pois não é

possível realizar todas as simulações necessárias a fim de assegurar a qualidade do

produto final através do software;

O custo costuma ser alto, dependendo de sua finalidade;

Muitas ferramentas do CAE integram ferramentas do CAD, mas problemas de

integração com outras aplicações, como por exemplo, o CAM, costumam ocorrer.

O CAE consegue se adaptar às mais diferentes áreas, devido a sua grande

flexibilidade, podendo ser utilizado em áreas que variam desde a construção civil à

indústria automobilística. Em áreas como a aeronáutica, por exemplo, o CAE pode

determinar custo de projeto, verificar falhas no projeto, na pré-visualização do

produto, apontar falhas no design ou na funcionalidade do produto e simular

comportamentos.

Procedimentos

A peça escolhida para a realização da análise foi uma chave combinada, como a

mostrada na Figura 1.

2

Figura 1. Chave combinada (fonte: http://pt.made-in-china.com/co_sg-tools/product_Gear-Spanner-

ST1096-_eusrnroig.html).

Para que fosse possível a análise, foi necessária a criação de um modelo

tridimensional da chave. O modelo foi criado utilizando-se o software Solid Edge ST3.

As Figuras 2 e 3 mostram o aspecto final do modelo e suas dimensões,

respectivamente. Então, o modelo foi importado em extensão .x_t (parasolid) no

ANSYS, para que fosse possível o início da análise.

Figura 2. Aparência final do modelo utilizado para a análise em vista (a) oblíqua e (b) frontal.

a)

b)

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Figura 3. Dimensões do modelo final.

É importante ressaltar que a peça inicialmente concebida apresentava suas

bordas arredondadas, aproximando-se mais de um modelo real. Porém, durante a

passagem do desenho para o ANSYS, foi detectado um problema na geometria da

peça, que poderia apresentar falhas durante as operações booleanas de geração da

malha e análise, como mostra a Figura 4. Deste modo, optou-se pela remoção do

arredondamento das bordas da peça, simplificando-se, assim, a geometria e sua

análise. A concepção inicial da peça apresenta-se na Figura 5.

Figura 4. Aviso dado pelo programa ao tentar-se importar a peça com bordas arredondadas.

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Figura 5. Concepção inicial da geometria da peça.

A etapa seguinte consistiu na criação da malha do objeto. Para isto, foi utilizado

o tipo Tet 10node 187, com tamanho de malha Smart Size 3. O resultado da geração da

malha está apresentado na Figura 7.

Figura 6. Peça em análise no ANSYS após a criação da malha.

O próximo passo consistiu na atribuição de propriedades mecânicas ao material

constituinte da chave. O material selecionado para a fabricação da peça foi o aço Cr-V

AISI 6150, muito comum na manufatura de ferramentas. Supôs-se um modelo

estrutural linear, elástico e isotrópico para a aplicação. Para os valores de módulo de

elasticidade e coeficiente de Poisson foram utilizados, respectivamente, 200 GPa e 0,3,

valores típicos para o material[2].

Em seguida, veio a etapa de aplicação dos esforços. No caso, o esforço aplicado

seria de flexão, já que é o tipo de solicitação sofrida pela ferramenta na realização de

sua função (apertar porcas e parafusos). Estimou-se uma força de cerca de 20 kg

(aproximadamente 196 N), que seria equivalente à aplicada por uma mão humana, na

direção do eixo z. A Figura 7 mostra a peça com a força aplicada na direção definida,

em uma posição estimada como sendo a localização do centro da mão, ao aplicar o

esforço sobre a ferramenta.

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Figura 7. Componente com a indicação da carga a ser aplicada (seta vermelha). O posicionamento da

seta foi pensando com base no posicionamento da mão ao manuseá-la.

A última etapa anterior à realização da análise foi remoção dos graus de

liberdade da peça na parte onde ela se encaixa à porca, parafuso, ou o que estiver

fixando. Na Figura 8, os triângulos azuis indicam a fixação dos locais aos quais foram

aplicados deslocamentos nulos, para a fixação da peça.

Figura 8. Indicação dos locais onde foram removidos os graus de liberdade da peça.

Resultados

Tendo todas as etapas necessárias à análise sido concluídas, prosseguiu-se

finalmente à análise mecânica da chave sob a aplicação dos esforços determinados. A

Figura 9 mostra a deformação sofrida pela peça, enquanto a Figura 10 mostra a

distribuição da tensão equivalente de Von Mises na mesma.

Figura 9. Deformação da peça, resultante da aplicação do esforço.

a)

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Figura 10. Distribuição da tensão equivalente de Von Mises na peça com as indicações de tensão

máxima (MX) e mínima (MN), nas vistas (a) oblíqua, (b) superior e (c) frontal.

A análise indica que o máximo deslocamento sofrido pela peça é de 0,0015 m

(1,5 mm), a máxima tensão é de 246 MPa e a mínima, de 0,688 Pa. O deslocamento de

1,5 mm é relativamente alto, e a tensão também, ainda que esteja bem abaixo do

valor de limite de escoamento do aço (415 MPa[2]). Duas justificativas podem ser

apresentadas para isso:

1. A estimativa de força aplicada por uma mão humana pode ter sido muito alta.

2. A tensão máxima pode ter sido elevada pelo fato de se localizar em um

concentrador de tensões, devido à mudança de seção transversal.

De qualquer modo, ainda assim a peça não falha.

Não se sabe se a alteração de geometria da peça, citada no início do trabalho,

tem influência significativa sobre os resultados. Como a remoção das bordas causa um

aumento da área sob carregamento, isso resulta em uma redução da tensão aplicada.

No entanto, a remoção do arredondamento também causa a formação de

concentradores de tensão (no caso, os cantos vivos).

Além disso, as localizações dos pontos de máximo deslocamento e máxima

localização estão de acordo com o esperado, uma vez que a força aplicada se encontra

próxima à extremidade direta da peça (ponto de máxima localização), a uma grande

distância do ponto de fixação da mesma. A contraposição da força aplicada com a

restrição do movimento gera um tensionamento máximo de tração/compressão nos

pontos avermelhados da peça, conforme mostrado na Figura 10.

A redução do tamanho de malha Smart Size de 3 para 2 não causou alteração

do deslocamento máximo, e causou apenas um ligeiro aumento na tensão máxima.

Levando em conta que o tamanho mínimo é 1, um refinamento do tamanho de malha,

neste caso, pode não ser necessário.

c)

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Como os pontos de tensão máxima são de pequena extensão, e quase

imperceptíveis, pode-se afirmar que, mesmo que a estimativa de carregamento

aplicado tenha sido muito alta, e que a tensão tenha possivelmente se aproximado do

limite de escoamento do aço, como já discutido anteriormente, ainda assim a situação

não é tão crítica, pois a quase totalidade da peça encontra-se em segurança.

Conclusão

O objetivo do trabalho, de realização da análise mecânica de um componente

pelo método dos elementos finitos, foi cumprido. A análise da chave sob esforços de

flexão possibilitou a observação de seu comportamento sob a solicitação definida, e foi

possível concluir que ela não falha, ao menos para este determinado carregamento.

A análise realizada foi relativamente simples, de um componente também

relativamente simples, apesar de terem sido encontrados alguns problemas, no que

diz respeito à geometria da peça. No entanto, o método é versátil e pode se estender

aos mais variados componentes, tendo elevadas chances de sucesso, principalmente

se utilizado por pessoas treinadas e capacitadas.

Um maior refinamento de malha próximo às regiões de carregamento mais

crítico poderia ser necessário, para uma maior precisão de resultados. No entanto, foi

visto que, no caso desta análise, o refinamento não trouxe mudanças significativas.

Referências

1. http://pt.wikipedia.org/wiki/Engenharia_assistida_por_computador (acesso em

16/11/2013).

2. http://www.azom.com/article.aspx?ArticleID=6744 (acesso em 16/11/2013).

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