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ANLISE DE ELEMENTOS FINITOS (FEA): aplicao na indstria mecnica com estudo de caso de uma estrutura de equipamento mdicoCentro Universitrio do Sul de MinasAutor: Thony Cornlio da FonsecaEnvio de correspondncia: Thony Cornlio da Fonseca

thony@tcfconsultoria.com

RESUMO

Em meio de otimizao de processo, a Anlise de Elementos Finitos (FEA) com aplicao na indstria mecnica tem como objetivo principal resolver a reduo de perdas por tentativas e erros de clculos, atravs de software especfico de modelagem tridimensional a fim de garantir as condies fsicas na qual a pea mecnica ser submetida. A resoluo se d por meios de entradas fornecidas ao computador com usurio as lhe informando no Autodesk Inventor Professional 2015 (licena estudantil). A modelagem feita respeitando as medidas da pea real, com propriedades mecnicas idnticas, assim garantindo uma confiabilidade dos resultados obtidos, com intudo de aplicao deveras as anlises de elementos finitos poder prever a quebra em funo das foras aplicadas estaticamente ou em modelos dinmicos. O estudo cientfico apresentado para prover o conhecimento da ferramenta poderosa que auxilia os engenheiros quanto ao projeto e confiabilidade de resultado, reduzindo tempo e perda no processo produtivo.Palavra chave: Anlise de Elementos Finitos. Desenho Tcnico. Modelagem Tridimensional. 3D. Von Misses.FINITE ELEMENT ANALYSIS ( FEA ): application in mechanical engineering with a case study of a medical device structure

ABSTRACT

In the midst of process optimization, Finite Element Analysis (FEA) with applications in mechanical engineering aims to resolve the reduction of losses by trial and error calculations, through specific three-dimensional modeling software to ensure the physical conditions in which the mechanical part will be submitted. The resolution takes place by means of inputs provided to the computer with the user informing him in Autodesk Inventor Professional 2015 (student license). The modeling is done using the measurements of the actual piece, with identical mechanical properties, thus ensuring reliability of the results obtained, applying intuited indeed the finite element analyzes may provide the breakdown according to the forces applied statically or dynamic models. The presented scientific study is to provide the knowledge of the powerful tool that helps engineers on the design and reliability of results, reducing time and lost in the production process.

Keyword: Finite Element Analysis. Technical Drawing. Three-dimensional modeling. 3D. Von Mises.1 INTRODUO

Anlise de Elementos Finitos aplicado na mecnica industrial um processo utilizado para otimizao de modelos matemticos quanto aos parmetros estruturais da pea, validando sobre cargas aplicadas em processo esttico ou dinmico. Esses resultados possibilitam a reduo de tempo no processo construtivo. Grande parte das falhas das peas devida aos carregamentos das foras o fadigando, cisalhando e ou fraturando internamente. Existe uma tendncia de aumento de estudo desta ferramenta, pois as anlises alm dos resultados obtidos na ferramenta da engenharia, a modelagem tridimensional resulta em uma economia de tempo e custo, recentes estudos informam este aumento, a razo que todos os recursos dentro do software especfico comtemplam todos os mdulos de fora em funo dos materiais atribudos e consequentemente o carregamento das foras.

A mecnica dos materiais juntamente com analise de elementos compreende que a seo que estuda um corpo deformvel e seu comportamento diante de cargas externas nele aplicadas, analisando tambm as tenses e deformaes das foras internas atuantes nesse corpo.

Esforos mecnicos tm sidos usados desde 1837 a fim de entender quais pontos de aplicao so mais problemticas na estrutura da pea. A evoluo destes esforos criou se programas especficos para clculos estruturais de peas, os resultados obtidos em funo de dados enviados para o Autodesk Inventor como programa de modelagem o chamamos de anlise de elementos finitos, que se faz a e as validam com coeficiente de segurana estabelecido pelo usurio ou pela norma aplicada.

Anlise de Elementos Finitos tem como parmetro a facilidade de aplicao no segmento industrial mecnico para influenciar em resultados antecipadamente, ao invs de realizar testes caros e improvveis, uma anlise correta traz benefcios empresa tais como reduo de custo de prototipagem, avaliao de estados ltimos e limites da pea em funo de seu material, correo do fator de segurana, simulao dinmica, anlise de stress, aplicao de foras fsicas e ou dinmicas em conjunto com valores reais previamente mencionados nas analises.

O polo industrial vem crescendo a cada dia e a inovao em ferramentas que podem auxiliar os profissionais em possveis solues de problemas mecnicos, assim como consequncia reduzir o tempo de usinagem em uma pea aplicada ao setor ou material desnecessrio no processo. A aplicao pode ter um impacto enorme para a empresa nos custos finais, portanto a ferramenta de modelagem e Anlise de Elementos Finitos (FEA) poder garantir reduo, tempo, quanto modalidade de peas mecnicas/projeto e dinheiro, assim a tornando essencial para peas de at alta complexibilidade em suas formas fsicas que se aplica, obtendo um produto final acessvel e com segurana.

A Anlise de Elementos Finitos utilizada em conjunto com a aplicao do processo de fabricao de um material ou pea que deve ser estudado em funo da sua geometria para lhes garantir a otimizao necessria, mas devido algumas restries ou complexidade de clculos, no possvel esta compreenso e visualizaes manualmente. Para obter os resultados necessrio o estudo da geometria da pea que ser submetida s anlises por meio de softwares.

Existem experimentos em utilizao cirrgica dental, os resultados visuais nos traz uma gama de grficos e desenhos tcnicos desenvolvidos nas anlises, para ento facilitar o entendimento para se aplicar ao projeto, os dados obtidos como experimento revelar o ponto em que se deve chegar para validao com o software da Autodesk Inventor Professional, a fim de resolver o problema e concluir a satisfao da utilizao deste mtodo.

2 MODELAGEM TRIDIMENSIONAL

Modelos 3D representam um objeto ou vrias formas geomtricas, tais como linhas, superfcies, curvas ou entidades geomtricas unidas a formando um modelo tridimensional. Nesta coleo de dados (pontos e outras informaes), os modelos tridimensionais podem ser criados mo, atravs de algoritmos por modelagem processual, ou digitalizada, so amplamente utilizados em qualquer lugar. Na verdade, a sua utilizao anterior ao uso generalizado de grficos 3D em computador pessoais.

Na indstria mecnica j se utiliza para processo de usinagem ou at mesmo na criao de peas por meios de desenhos e detalhamento tcnico de peas modeladas, os engenheiros utilizam na concepo de novos projetos ou dispositivos, estes modelos 3D podem ser lidos facilmente por mquina e dispositivos fsicos que contemplam as mquinas CNC (Comando Numrico Controlado) e impressoras 3D, o desenvolvimento da pea importante para anlises posteriormente.

Figura 1 - Estrutura 3D modelada pelo software Autodesk Inventor Professional 2015 (licena estudantil).

Figura 2 Detalhamento por desenho tcnico da estutrutura de fixao para suporte de equipamento mdico.

A estrutura foi composta de material de ao 1020 (tab. 4) soldado por barras chata de 1/8 x 1 , todos componentes da estrutura foi soldada com eletrodo revestido AWS 6013, as travessas em diagonais chamadas de mo francesa a que mais foram submetidas aos esforos sendo que o material linear homogneo e isotrpico tem suas propriedades elsticas determinadas unicamente por qualquer dois mdulos dentre estes. A pea fica suspensa por quatro parafusos de x 2 classe ASTM A460 no ponto de fixao (fig. 4). A anlise visa fixar a pea restringindo seu movimento conforme figura 4 e aplicando a carga esttica perpendicular (fig. 5) que no mesmo caso o peso que a estrutura ir ser submetida.

Figura 3 - Atribuio de material a pea de estrutura.

Figura 4 - Ponto de fixao para a anlise. Figura 5 - Ponto de aplicao de fora.3 RESULTADOS DA ANLISETabela 1 - Phisical

Mass0,464212lbmass

rea145506 mm

Volume210563 mm

Center of Gravityx=650,675 mm

y=4,47713 mm

z=-249,725 mm

Fonte: o autor

Tabela 2 - General objective and settings

Design ObjectiveSingle Point

Simulation TypeStatic Analysis

Last Modification Date23/03/2015, 00:34

Detect and Eliminate Rigid Body ModesNo

Separate Stresses Across Contact SurfacesNo

Motion Loads AnalysisNo

Fonte: o autor

Tabela 3 - Mesh settings

Avg. Element Size (fraction of model diameter)0,05

Min. Element Size (fraction of avg. size)0,1

Grading Factor1,5

Max. Turn Angle60 deg

Create Curved Mesh ElementsNo

Use part based measure for Assembly meshYes

Fonte: o autor

Tabela 4 - Materials

NameSteel

GeneralMass Density0,283599 lbmass/in

Yield Strength30043,5 psi

Ultimate Tensile Strength50072,6 psi

StressYoung's Modulus30479 ksi

Poisson's Ratio0,3 ul

Shear Modulus11722,7 ksi

Part Name(s)Part2

Part4

Part6

Fonte: o autor

Tabela 5 - Operating Condions Force 1

Load TypeForce

Magnitude44,962 lbforce

Vector X0,000 lbforce

Vector Y-0,000 lbforce

Vector Z-44,962 lbforce

Fonte: o autor

Tabela 6 - Reaction Force and Moment on Constraints

Constraint NameReaction ForceReaction Moment

MagnitudeComponent (X,Y,Z)MagnitudeComponent (X,Y,Z)

Fixed Constraint:144,9618 lbforce0 lbforce16,5628 lbforce ft0 lbforce ft

0 lbforce-16,5628 lbforce ft

44,9618 lbforce0 lbforce ft

Fonte: o autor

Tabela 7 - Result Summary

NameMinimumMaximum

Volume210563 mm

Mass3,64407 lbmass

Von Mises Stress0,0000603762 MPa100,278 MPa

1st Principal Stress-20,0656 MPa99,7808 MPa

3rd Principal Stress-62,4801 MPa16,896 MPa

Displacement0 mm0,444856 mm

Safety Factor2,06425 ul15 ul

Stress XX-42,393 MPa71,1325 MPa

Stress XY-21,2317 MPa16,8772 MPa

Stress XZ-46,7949 MPa25,8704 MPa

Stress YY-50,5832 MPa33,5749 MPa

Stress YZ-12,6223 MPa12,8862 MPa

Stress ZZ-38,1366 MPa56,6881 MPa

X Displacement-0,0290486 mm0,0164069 mm

Y Displacement-0,0348855 mm0,0347513 mm

Z Displacement-0,444391 mm0,00326735 mm

Equivalent Strain0,000000000269105 ul0,000422833 ul

1st Principal Strain-0,00000000126856 ul0,000474672 ul

3rd Principal Strain-0,00030666 ul0,000000000600877 ul

Strain XX-0,000182312 ul0,000286616 ul

Strain XY-0,000131434 ul0,000104478 ul

Strain XZ-0,000289683 ul0,00016015 ul

Strain YY-0,000157441 ul0,000153947 ul

Strain YZ-0,0000781378 ul0,0000797714 ul

Strain ZZ-0,000163975 ul0,000197907 ul

Contact Pressure0 MPa42,1554 MPa

Contact Pressure X-38,4859 MPa34,0126 MPa

Contact Pressure Y-15,8415 MPa14,4316 MPa

Contact Pressure Z-25,1261 MPa25,4259 MPa

Fonte: o autor

Figura 6 - Resultado Von Mises.

Em cincia dos materiais e engenharia o critrio de escoamento de Von Mises pode ser resumido quando a tenso de escoamento est no seu valor crtico, os resultados Von Misses podem ser melhorados com o refinamento da malha e quanto maior e infinitesimal as malhas forem divididas os resultados consequentemente se aproximaram de sua caracterstica real com um erro mnimo, assim indicando exatamente o ponto de fratura.

Figura 7- Deformao mxima de 0,44 milmetros da pea submetida aplicao da fora.4 CONCLUSO

A anlise tem como objetivo a aplicao das foras mencionadas em funo dos parmetros, tais como ponto de fixao, carga esttica e ou dinmica, logo o resultado obtido da correspondente anlise foi de 100,3 Mpa, devido ao ao utilizado considerado ao 1020 (tab.4) com propriedades de limite de ruptura de tenso mximo de aproximadamente 350mpa, conclui-se que a solicitao de carga inferior ao limite ltimo de ruptura do material, tornando a estrutura confivel com um fator de segurana em aproximadamente 3. O desenvolvimento da Anlise de Elementos Finitos (FEA) consiste em estudar uma pea dividida em milhes de partes para verificao, assim os engenheiros poder ter uma confiabilidade de resultado, reduzindo tempo, material e perda no processo produtivo quanto a sua concepo e execuo.

REFERNCIASSPECK, H. J. Manual Bsico de Desenho Tcnico. Florianpolis: UFSC, 4 ed. 2007.ABNT Associao Brasileira de Normas Tcnicas. NBR 10067, Princpios Gerais de Representao em Desenho Tcnico. Maio de 1995.RIBEIRO, Carlos Tavares et al.. Desenho tcnico moderno. 4. Ed. Rio de Janeiro: LTC, 2006.

A. Costa, Autodesk Inventor - Curso Completo 2 Edio Actualizada, FCA Editora, 2008, ISBN 978-972-722-418-0.COOK, R. D.; MALKUS, D.; PLESHA, M. E. Introduction. In: Concepts and aplications of finite element analysis 3. ed. John Willey & Sons, 1989.CALLISTER JUNIOR, W D. Material Science and Engineering An Introduction Jr. - John Wiley & Sons,Inc., New York, NY, 1991.Ao 1020 propriedades verificar (tab. 4)

Ponto de fixao (eixo Z)

Aplicao das forasno ponto de fixao (-Z)

per

Ponto de fratura