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Utilização do Métodos dos Elementos Finitos em aplicações de engenhariaPaulo Matos1ªs Jornadas de EngenhariaEngenharia de Produção IndustrialInstituto Superior de Entre Douro e Vouga - 2010/11
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ISVOUGA 1ªs Jornadas de Engenharia ISVOUGA 30 de Novembro 2010
ISVOUGA
UTILIZAÇÃO DO MÉTODO DOS ELEMENTOS FINITOS EM
APLICAÇÕES DE ENGENHARIA
1ªs Jornadas de EngenhariaEngenharia de Produção Industrial
Instituto Superior de entre Douro e Vouga
Paulo F. P. de MatosLEPI, ISVOUA
ISVOUGA 1ªs Jornadas de Engenharia ISVOUGA 30 de Novembro 2010
ISVOUGA
CONTEÚDOS
I) CONCEITOS GERAIS DE PROJECTO
II) CASOS DE ESTUDO:
1 ) Dimensionamento de condutas circulares de grandes dimensões
2) Vibrações num tanque de armazenamento induzidas por
agitadores
3) Fadiga e tensões residuais
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ISVOUGA
ENG. DE PRODUÇÃO INDUSTRIAL
Áreas de actuação mais comuns (convencionais):
Engenharia de Processo
Construção Metálica
Mecânica
Electricidade & Instrumentação
Projectos: Base, Licenciamento, Detalhe
Tubulações industriais (Piping)
Gasodutos, Oleodutos
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ISVOUGA
PROJECTO E SUAS RELAÇÕES
Estudo, Concepção &Desenvolvimento
Projectos Engenharia (Tradicionais)
Baseado:
Legislação
Normas
Regras
Projectos:
Base
Licenciamento
Detalhe/Execução
Estudos
Pareceres técnicos
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ISVOUGA
ELEMENTOS FINITOS
Servem para modelar uma realidade física (ex: temp., tensões deformações etc) através de métodos matemáticos numéricos.
Ex: Modelação de estruturas e componentes mecânicos
Optimização
Análise de tensões e deformações;
Análise de tensões de contacto entre componentes;
Análise de tensões residuais;
Análise termomecânica de componentes estruturais;
Simulação de processos de fabrico (Mecânica).
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ISVOUGA
EXEMPLOS APLICAÇÃO
DESIGN OF FLUE GAS DUCTING CIRCULAR DUCTS
STORAGE TANK VIBRATIONS INDUCED BY AGITATORS
COLD WORKED HOLESTHE INFLUENCE OF RESIDUAL STRESSES
1.
2.
3.
CASOS DE ESTUDO
ISVOUGA 1ªs Jornadas de Engenharia ISVOUGA 30 de Novembro 2010
ISVOUGA
EXEMPLOS APLICAÇÃO
DESIGN OF FLUE GAS DUCTING CIRCULAR DUCTS
1.
1. CIRCULAR DUCTS
Dimensionamento de condutas circulares de grandes dimensõespara exaustão de gases provenientes da combustão de carvãona caldeira, para redução dos níveis de poluição atmosférica
OBJECTIVO:
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1. CIRCULAR DUCTS
CARACTERISTÍCAS RELEVANTES DO EQUIPAMENTO:
Condutas circulares de grandes dimensões, aproximadamente 7m de diâmetro
Alguma indefinição das acções preponderantes para o dimensionamento estrutural da conduta, nomeadamente a acção do vento
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1. CIRCULAR DUCTS
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ISVOUGA
1. CIRCULAR DUCTS
ISVOUGA 1ªs Jornadas de Engenharia ISVOUGA 30 de Novembro 2010
ISVOUGA
1. CIRCULAR DUCTS
ANÁLISE DE UMACONDUTA EM PARTICULAR
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1. CIRCULAR DUCTS
Procedimento de cálculo:Definição de cargas:
Peso próprio;
Sobrecarga;
Vento;
Pressão de serviço;
Temperatura;
Combinação de acções: Estados limites últimos – Buckling analysis;
Estados limites de utilização - Deformada;
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1. CIRCULAR DUCTS
1
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,≤
+
⋅−
+
τθ
θ
θ
θ
θ
θ
θ
τ
τ
σ
σ
σ
σ
σ
σ
σ
σk
Rdx
Edx
Rd
Ed
Rdx
Edx
i
k
Rd
Ed
k
Rdx
Edxk
x
Propriedades mecânicas Características geométricas
Estados limites últimos – Buckling analysis
Parâmetros de iteração
Verifica
Não verifica
OK!
Alterar modelo:Espessuras, stiffenning rings
Modelo numérico
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1. CIRCULAR DUCTSModelo numérico - FEM
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1. CIRCULAR DUCTSModelo numérico - FEM
At bents
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1. CIRCULAR DUCTS
Modelo numérico - FEM
Between bents
At bents
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1. CIRCULAR DUCTS
W+1.0
-1.30
-1.30
-0.25
Acção do vento:
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1. CIRCULAR DUCTSAcção do vento Wx: Pressão interna:
Axial membrane forces
Shear forces
Circumferential mermbrane forces
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1. CIRCULAR DUCTS
Estados limites últimos – Buckling analysis
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1. CIRCULAR DUCTSEstados limites de utilização Detalhes dos Anéis de suporte
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1. CIRCULAR DUCTS
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STORAGE TANKVIBRATIONS INDUCED BY AGITATORS
2.
2. Storage tank
- Investigar a origem de vibrações induzidas por agitadoresem tanques de para armazenamento de água com lamas.
- Propor uma alteração ao projecto existente por forma a eliminar o problema de vibrações detectado.
OBJECTIVO:
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- Detalhes do agitador- Fluído água com lamas de calcário ρ=1150kg/m3
2. Storage tank
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ISVOUGA
Metodologia de análise:
Verificação das tensões na chapa do tanque
Verificar a frequência natural de vibração to tanque
Verificação da deflexão/ rotação da chapa
Modelo numérico
2. Storage tank
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ISVOUGA
2. Storage tank
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2. Storage tankFrequência natural de vibração
4.1hz < 7.5hz
Frequência de funcionamento dos agitadores
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ISVOUGA
2. Storage tankVerificação da rigidez da tubuladura
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2. Storage tankVerificação da rigidez da tubuladura
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2. Storage tank
Verificação das tensões na chapa numa região próxima da tubuladura
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2. Storage tank
Análise da deflexão da chapa na zona do agitador
Detalhe do modelo na proximidade de um agitador
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2. Storage tank
Análise da deflexão da chapa na zona do agitador
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2. Storage tank
Rotações na chapa do tanque
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2. Aux. storage tank
Introdução de anéis de reforço
Agitador
ANTES
DEPOIS
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EXEMPLOS APLICAÇÃO
3.
3. TENSÕES RESIDUAIS
COLD WORKED HOLESTHE INFLUENCE OF RESIDUAL STRESSES
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ISVOUGA
Paulo F. P de Matos IDMEC, actualmente ISVOUGA
Prof. P. M. S. T. de Castro, FEUP
- Quantificar as tensões residuais devidas a uma expansão mecânica;
-Quantificar a influência das tensões residuais no comportamento à fadiga do detalhe estrutural em estudo
OBJECTIVO:
EQUIPA DE TRABALHO:
3. TENSÕES RESIDUAIS
COLD WORKED HOLES THE INFLUENCE OF RESIDUAL STRESSES ON THE FATIGUE BEHAVIOUR OF OPEN HOLE SPC.
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FADIGA
Estudos de Fadiga e Fractura
Rotura dos componentes
Fadiga estrutural ocorre devido condições de carga que se repetem ao longo do tempo de acordo com um determinado padrão
Degradação das propriedades mecânicas
Nucleação e propagação de fendas de fadiga
σa
σminσm σmax
σ
t
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FADIGA
Estudos de Fadiga e Fractura
Cálculo da vida útil e vida remanescente (API 579 –Fitness-For-Service, BS 7910, EC3 EN 1993-1-9:2003) de estruturas e/ou componentes mecânicos sujeitas a fenómenos de fadiga;
Análise de acidentes e falhas de componentes mecânicos com vista à determinação das causas da falha.
(ex. tubagens; reservatórios de pressão; componentes mecânicos etc);
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3. TENSÕES RESIDUAIS
Componente do tipo “lap-joint”
σa
σminσm σmax
σ
t
σ
σ
Tensões Mecânicas
Tensões de origem térmica
etc
Reservatório de pressão
Rebites
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3. TENSÕES RESIDUAIS
Geometria analisada
Processo de expansão mecânica:
Material: 2024-T3 Alclad
Face de entrada
Face de saída
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3. TENSÕES RESIDUAIS
Componente do tipo lap-joint comportamento à fadiga
σ
σ Após expansão mecânica
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3. TENSÕES RESIDUAISGeometria cilindrica (dominio infinito)
1) Modelo 2D
1.1) Expansão uniforme do furo, i=1...8%
2) Modelo 2D axissimétrico
2.1) Expansão uniforme do furo, i=4.5%
2.2) Expansão mecânica com madril, i=4.5%
Real model geometry
1) Modelo 2D
1.1) Expansão uniforme do furo, i=1...8%
2) Modelo 3D
2.1) Expansão uniforme do furo, i=4.5%
2.2) Expansão mecânica com mandril, i=4.5%
SHD – Diâmetro incial do furo;
D - Diâmetro do mandril;
t – Espessura da manga. P. F. P. de Matos et al,"Numerical simulation of cold working of rivet holes",
Finite Element Analysis and Design, vol. 41, pp. 989-1007, 2005
Aqui apresentado
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3. TENSÕES RESIDUAIS
Detalhes da malha
mandril
manga
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EXEMPLOS APLICAÇÃO3. TENSÕES RESIDUAIS
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3. TENSÕES RESIDUAIS
Tensões circumferenciais Tensões radiais
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3. TENSÕES RESIDUAIS
Previsão da vida à fadiga
σeq=σapp+σres
∆Κeff=∆Κapp+∆Κres
Modelo numérico
Lei de propagação de fendas de fadiga
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SUMÁRIO
□ Foi dada uma visão geral do âmbito do Projecto Mecânico
□ Foram apresentadas alguns casos de estudo que recorrem à
aplicação do método dos elementos finitos como uma das
ferramentas integrante de projecto