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XVII Encontro de Iniciação Científica XIII Mostra de Pós-graduação
VII Seminário de Extensão IV Seminário de Docência Universitária
16 a 20 de outubro de 2012
INCLUSÃO VERDE: Ciência, Tecnologia e
Inovação para o Desenvolvimento Sustentável
MCE1635
MODELAGEM E SIMULAÇÃO DE UMA BOMBA DE PISTÕESAXIAIS SWASHPLATE EM SOFTWARE CAD/CAE 3D
EMERSON LUÍS JUNQUEIRA [email protected]
MESTRADO - ENGENHARIA MECÂNICA UNIVERSIDADE DE TAUBATÉ
ORIENTADOR(A) LUIZ EDUARDO NICOLINI DO PATROCINIO NUNES
UNIVERSIDADE DE TAUBATÉ
MODELAGEM E SIMULAÇÃO DE UMA BOMBA DE PISTÕES
AXIAIS SWASHPLATE EM SOFTWARE CAD/CAE 3D1
(Autor) Emerson Luís Junqueira2
(Orientador) Luiz Eduardo Nicolini do Patrocínio Nunes3
Resumo
Este trabalho tem por objetivo o modelamento geométrico de parte de uma bomba de
pistões axiais swashplate totalmente desenvolvido em uma plataforma CAD/CAE
amplamente conhecida em projeto mecânico. Tal projeto já foi foco de alguns trabalhos
acadêmicos e, como o objetivo é o desenvolvimento computacional e não um novo
dimensionamento, este será feito com os parâmetros já definidos por uma destas fontes
de consulta disponíveis na comunidade acadêmica. O software utilizado para o projeto é
o Autodesk Inventor versão 2010. Tal programa e versão foram adquiridos diretamente
na comunidade educacional da Autodesk e está disponível gratuitamente mediante
cadastro prévio para estudantes e professores em geral, somente para fins educacionais,
que é o caso deste artigo. Os resultados apresentados neste artigo foram atingidos por
modelamento com dimensões paramétricas, que proporciona grande ganho de tempo de
trabalho e ainda conta com a vantagem da fácil modificação dos itens alterados no
decorrer do projeto. Como demonstração da validação da ferramenta computacional
para o projeto mecânico, será modelado um dos componentes deste conjunto utilizando
as dimensões informadas no trabalho acadêmico original adotado como referência.
Como resultado, espera-se que os recursos CAD/CAE do programa utilizado forneçam
informações rápidas e práticas sobre as dimensões sugeridas para o projeto, auxilie na
localização de informações pendentes ou incompletas e facilite o modelamento de
elementos padronizados normalmente utilizados para montagem e transmissão de
movimento e força entre os componentes que formam o conjunto mecânico.
Palavras-chave: CAD/CAE. Prototipagem digital. Projeto paramétrico.
Keywords: CAD/CAE. Digital prototyping. Parametric design.
1 INTRODUÇÃO
Atualmente é difícil encontrar, e até mesmo imaginar, que uma organização que
mantém sua competitividade em frente aos concorrentes utilize recursos exclusivamente
manuais para desenvolvimento e validação de seus projetos mecânicos.
Existem diversas opções de softwares CAD/CAE no mercado, inclusive com licença
gratuita, os conhecidos programas freeware, amplamente utilizados em ambientes dos
mais variados, desde os educacionais até para fins comerciais em empresas de menor
poder aquisitivo.
O domínio da utilização destas ferramentas faz uma diferença significativa nos
aspectos relacionados à precisão, produtividade e, principalmente, economia na
confecção de protótipos em geral. A organização, com fins lucrativos ou mesmo
exclusivamente de pesquisa científica, que consegue enxergar tais vantagens
relacionadas diretamente ao uso destas ferramentas, vai ganhar principalmente no tempo
de execução de seu projeto, considerando o começo das vantagens mais significativas e,
além disso, terá mais recursos disponíveis para “vender” a sua ideia aos seus clientes em
potencial, isso já tendo em vista que mesmo as tecnologias CAD/CAE mais simples do
mercado oferecem recursos mínimos de apresentação gráfica de qualidade que agradam
tanto aos olhos de quem não é da área técnica como também as necessidades de
simulação e design dos profissionais voltados ao funcionamento e aspectos finais de seu
projeto.
Tais vantagens relacionadas a tempo, precisão e qualidade justificam que os custos
iniciais de aquisição de licenças de produtos com módulos mais completos e a
capacitação da equipe que utiliza tais ferramentas no desenvolvimento e simulação de
projetos mecânicos. Segundo levantamento feito pela Aberdeen Group (2006), algumas
vantagens confirmadas do uso de CAD/CAE são:
a) Grandes empresas aumentaram suas receitas, reduziram custos,
anteciparam datas de lançamento e melhoraram metas da qualidade de produtos
em 84% ou mais.
b) Empresas de desenvolvimento estão produzindo 1,4 menos protótipos do
que as desenvolvedoras tradicionais.
c) Os líderes em desenvolvimento estimam uma média de 6,1 menos
pedidos de modificações do que desenvolvedores comuns.
d) Em suma, os líderes em fabricação desenvolvem e lançam produtos de
alto valor agregado no mercado com 99 dias de antecedência e economia em
desenvolvimento de até US$ 50,637.
A proposta deste trabalho envolve a utilização do software CAD/CAE Autodesk
Inventor 2010, disponibilizado gratuitamente pelo desenvolvedor em uma versão
exclusiva para estudantes (AUTODESK, 2012). Este programa é classificado no
mercado como mid-range (VILLERMANN, 2008) e tem os módulos necessários para
modelagem 3D e simulação que utiliza os princípios do método de elementos finitos
(MEF) (CRUZ, 2009). Com o uso exclusivamente deste programa, será modelado e
simulado o projeto de uma bomba de pistões axiais swashplate desenvolvida
originalmente por Ferreira (2004).
2 REFERENCIAL TEÓRICO
De acordo com Shigley, Mischke e Budynas (2005), o ciclo completo de um projeto,
desde o início até o seu final, parte do reconhecimento de que é necessária uma solução
que pode ser obtida a partir do próprio projeto mecânico.
Após diversas iterações, o processo é encerrado com a divulgação do planejamento para
atender a demanda atual. De acordo com a natureza do fim a que se destina o projeto,
diversas fases podem ser reinseridas durante a vida útil do produto, desde o seu início
até o fim. Entre elas podemos assinalar:
a) Reconhecimento da necessidade.
b) Definição do problema.
c) Síntese.
d) Análise e otimização.
e) Avaliação.
f) Apresentação.
A figura 1 a seguir ilustra tais fases do projeto e suas respectivas iterações.
Figura 1 - As fases do projeto e iterações
Fonte: Shigley, Mischke e Budynas (2005)
Segundo Aberdeen Group (2006), quando o assunto é projeto a tendência é se fazer
cada vez mais com menos. Os desenvolvedores que levam e consideração mudanças na
forma como criam os resultados de projeto estão respondendo às pressões dos clientes e
dos concorrentes, desenvolvendo produtos mais inovadores e melhorando a eficiência
operacional.
O quadro 1 mostra as principais pressões comerciais e estratégicas sobre as empresas
voltadas ao projeto de produtos.
Quadro 1-Principais Pressões Comerciais e Ações Estratégicas (2006)
Fonte: Aberdeen Group (2006)
Segundo Shigley, Mischke e Budynas (2005), softwares de projeto/engenharia auxiliado
por computador (CAD/CAE) permitem o desenvolvimento de projetos em três
dimensões (3D) com vistas ortogonais em duas dimensões (2D) automaticamente. Além
disso, protótipos que antes eram feitos artesanalmente agora podem ser modelados
digitalmente ou mesmo por meio de prototipagens rápidas, como a estereolitografia, por
exemplo.
O mercado disponibiliza algumas opções interessantes de softwares com variações de
recursos, o que impacta diretamente nos custos de aquisição e capacitação do pessoal
envolvido com projetos mecânicos.
Além da classificação low-end, que limita os softwares com recursos 2D e 3D limitados
e não paramétricos, podemos encontrar no mercado outras duas classificações que estão
mais relacionadas ao foco de interesse deste trabalho que, segundo Villermann (2008),
são as seguintes:
a) Produtos de Mercado Mid-range (Ex. Autodesk Inventor, SolidWorks Office,
Solid Edge).
b) Produtos de Mercado High-end (Ex. CATIA, NX, Pro/ENGINEER).
A diferença básica entre as duas classificações reside somente nos módulos adquiridos
juntamente com o tipo de software adotado. Em resumo, os programas high-end já
possuem módulos completos, que vão desde o CAD 2D mais básico até o CAM, que
envolve a programação CNC que será utilizada diretamente na manufatura.
Segundo Foggiatto, Volpato e Bontorin (2007), entre as diferentes formas de
modelagem sólida, as principais que se destacam são:
a) CSG (Constructive Solid Geometry).
b) B-Rep (Boundary Representation).
c) Híbrida.
d) Por Features.
e) Paramétrica.
De acordo com Foggiatto, Volpato e Bontorin (2007), a grande parte dos programas
CAD 3D da atualidade utilizam em seus princípios as metodologias de modelamento
por features e paramétrica. Podemos definir as features (características) como sendo
elementos físicos dos modelos que tem relação direta com a engenharia.
De acordo com Foggiatto, Volpato e Bontorin (2007, apud Speck, 2001), o
modelamento sólido paramétrico torna possível a confecção de modelos com referências
dimensionais vinculadas às variáveis. Isso permite uma atualização automática do
modelo após qualquer tipo de modificação feita em quaisquer ambientes do software.
3 MÉTODOS/PROCEDIMENTOS
Quando se trata de modelamento 3D em software paramétrico não há uma única
maneira de se conseguir alcançar o modelo desejado. Há diferentes formas de se
modelar a mesma peça, cada um com sua vantagem e desvantagem.
Como referência para este trabalho estão sendo utilizadas as recomendações segundo
Foggiatto, Volpato e Bontorin (2007) que são descritas no quadro 2.
Quadro 2 - Principais recomendações para a modelagem 3D
Fonte: Foggiatto, Volpato e Bontorin (2007)
De acordo com Dassault Systèmes Solidworks Corporation (2010), a intenção do
projeto deve determinar como o modelo será modelado e, eventualmente, alterado. A
relação entre as features e a ordem em que foram aplicadas vão auxiliar na definição
desta intenção de projeto.
As formas básicas de um modelo 3D, em geral, são originadas de um contorno
2D. A escolha do perfil será essencial para facilitar a modelagem da peça e,
eventualmente, tornar mais simples qualquer alteração posterior necessária. A figura 2
mostra alguns exemplos de escolha de perfil para início da modelagem. Segundo esta
metodologia, a escolha do perfil deve gerar uma etapa inicial de modelamento que
defina, logo de início, as características principais do modelo.
Segundo Foggiatto, Volpato e Bontorin (2007), uma outra forma de se definir a
primeira feature é a utilização de sólidos básicos simples. Optando pela escolha de
sólidos básicos, como cilindros ou paralelepípedos, para início um novo modelo, é
possível reduzir o indesejável excesso de relações de parentesco entre os recursos do
modelo.
Essas relações ocorrem quando há muitos detalhes em uma só geometria de
base, o que dificulta as eventuais revisões no modelo. Outro cuidado é a escolha de uma
geometria simples, que tenha particularidades com o formato desejado do modelo e que
esteja devidamente posicionada nos planos de referência de forma que seja possível
visualizar mais detalhes da peça. As figuras 3 e 4 comparam as diferentes formas de se
modelar a mesma peça.
Figura 2 - Escolha do melhor perfil
Fonte: Dassault Systèmes Solidworks Corporation (2010)
Figura 3 - Modelagem a partir de geometria complexa
Fonte: Foggiatto, Volpato e Bontorin (2007)
Figura 4 - Modelagem a partir de geometria simples
Fonte: Foggiatto, Volpato e Bontorin (2007)
4 RESULTADOS E DISCUSSÃO
O objetivo deste artigo é a modelagem e simulação de parte de uma bomba de pistões
axiais swashplate originalmente projetada e construída por Ferreira (2004). A figura 5
mostra o projeto completo desenhado inteiramente em 2D no software low-end
AutoCAD. A figura 6 mostra o teste funcional da bomba construída a partir do projeto
de Ferreira (2004).
Figura 5 - Bomba de pistões axiais swashplate
Fonte: Ferreira (2004)
Como referência de resultados, para este artigo, serão demonstradas as etapas de
modelamento do único eixo do conjunto. As dimensões da peça podem ser encontradas na
figura 7 deste artigo.
Como início da modelagem, foi necessário definir qual o plano para a geometria base
inicial. Como se trata de uma peça com geometria em revolução, a escolha do plano não era
relevante para o processo de modelagem, neste caso foi utilizado o primeiro plano que já é aberto automaticamente pelo Autodesk Inventor 2010, que no caso é o plano XY. Aproveitando
a condição de geometria em revolução do eixo, foi desenhado o contorno da peça (figura 8)
limitado pela linha de centro, que foi utilizada como eixo para aplicação da primeira feature: a revolução em 360° da geometria base inicial.
Figura 6 - Teste funcional da bomba
Fonte: Ferreira (2004)
Figura 7 - Dimensões originais do eixo
Fonte: Ferreira (2004)
Figura 8 - Geometria inicial feita no plano XY
Concluída a primeira feature, já tínhamos disponível um corpo sólido na nossa
área de trabalho para prosseguirmos com os demais recursos a fim de obtermos a peça
com suas dimensões finais.
Figura 9 - Primeira feature da revolução da geometria inicial
A próxima etapa foi a aplicação dos chanfros do eixo, conforme figura 9. No
desenho original não estavam previstas as dimensões do chanfro localizado no final da
estria da ponta do eixo. Neste caso foi definido um chanfro de 2,5 mm X 45°, medida
utilizada na outra extremidade do mesmo diâmetro.
Figura 10 – Aplicação das features dos chanfros
No projeto original de Ferreira (2004), não haviam detalhes a respeito das duas
pontas estriadas do eixo. Neste caso, adotamos o padrão de estrias conforme a norma
DIN 5480 com as medidas 32 mm X 2 mm X 14 dentre para o diâmetro menor e 47 mm
X 2 mm X 22 para o diâmetro maior. Não foi necessária a consulta à norma original, já
que o Autodesk Inventor 2010 já possui uma biblioteca de parâmetros normalizados
diversos, inclusive o da norma referenciada. Para modelagem das estrias foi utilizado o
recurso denominado Design Accelerator do software, conforme mostrada na figura 11.
O Design Accelerator é um recurso que executa uma série de cálculos para criar
componentes mecânicos automaticamente, dentro das dimensões regidas pela norma
indicada (CRUZ, 2009).
Figura 11 - Estrias geradas pelo Design Accelerator do Autodesk Inventor 2010
Após a modelagem das estrias foi necessário outro ajuste nas medidas originais do
projeto. O software prevê a usinagem residual causada pela saída da ferramenta que irá
usinar as estrias da peça. Para o diâmetro menor, o raio de 5 mm previsto no projeto não
foi suficiente para evitar que a ferramenta removesse parte do material do eixo que não
está relacionado com a estria (figura 12). Para corrigir este inconveniente foi necessário
alterar este raio para 7 mm, o que resultou em uma previsão de usinagem da estria
satisfatória, tendo em vista que não haveria remoção residual não desejada de material
do eixo (figura 13).
Figura 12 - Detalhe do raio de saída da usinagem da estria com 5 mm
Figura 13 - Detalhe do raio de saída da usinagem da estria com 7 mm
Concluído o modelamento do eixo, era necessário aplicar o material e acabamento à
peça. O projeto original não definiu qual o material utilizado no eixo. Neste caso foi
adotado a especificação Steel da biblioteca do software, referindo-se ao material Aço. A
massa da peça, prevista pelo software, foi de 3,773 kg. Como acabamento foi adotado o
Black Chrome e o modelo foi renderizado em perspectiva cônica, de forma a que o
aspecto da imagem final fique o mais próximo possível de uma imagem de um modelo
real.
Figura 14 - Eixo renderizado em perspectiva cônica
5 CONCLUSÃO
Os diversos softwares CAD/CAE 3D disponíveis no mercado estão sendo cada vez mais
aceitos e adotados como ferramenta essencial de projeto mecânico nas mais diversas
áreas da engenharia. Os resultados parciais deste trabalho evidenciam que a escolha
adequada de uma sequência de modelamento, baseada na intenção do projeto, fazem
diferença positivamente no resultado do projeto. A ausência de informações ou mesmo
medidas que não geravam resultados satisfatórios foram facilmente detectados pelo
software e facilmente corrigidos. O que facilitou estes ajustes foi a forma como a peça
foi modelada, partindo de uma geometria em revolução simples na qual foram inseridos,
aos poucos, detalhes da peça final até o resultado alcançado.
O objetivo deste trabalho foi mostrar as facilidades e vantagens da utilização deste tipo
de ferramenta de projeto mecânico com a intenção de, em continuidade a esta pesquisa,
seja utilizada para conclusão do modelamento, montagem e simulação de todo o projeto
desta bomba de pistões axiais swashplate.
Agradecimentos
Ao Prof. Dr. Luiz Eduardo Nicolini do Patrocínio Nunes, que me orientou na
elaboração deste artigo. Aos demais docentes do Mestrado Profissional em Engenharia
Mecânica, que auxiliaram direta e indiretamente nos resultados apresentados.
REFERÊNCIAS
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Referência. [s. L.]: Aberdeen Group, 2006. 33 p.
AUTODESK. Autodesk Education Community. Disponível em:
<http://students.autodesk.com/>. Acesso em: 18 set. 2012
BALASTRERO JUNIOR, José Orlando. Modelagem e utilização de componentes
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111 f. Dissertação (Mestrado) - Universidade de Taubaté, Taubaté, 2010.
BALASTRERO JUNIOR, José Orlando; NUNES, Luiz Eduardo Nicolini do Patrocínio.
Modelagem de objetos em sistemas CAD 3D com a utilização de geometrias
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CRUZ, Michele David da. Autodesk Inventor 2010: Prototipagem digital versão suite
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SolidWorks® 2011: Conceitos básicos do SolidWorks. Concord: Dassault Systèmes
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FERREIRA, Laércio. Projeto e construção de uma bomba de pistões axiais
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FOGGIATTO, José Aguiomar; VOLPATO, Neri; BONTORIN, Ana Carolina Bueno.
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2007.
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VILLERMANN, Marek. Global web search as a new marketing planning tool for
CAD vendors. Disponível em:
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