Na análise estrutural de conjuntos há mais uma configuração nas condições de contorno á ser definida pelo usuário, esta configuração é o contato entre as peças. E de todas as condições de contorno existentes aplicadas a um conjunto de peças, aquilo que mais influencia os resultados obtidos é o tipo de contato.
Quando o conjunto é inserido ou atualizado no ambiente do Static Structural do Ansys Worckbench automaticamente os contatos entre as peças são inferidos, se não for configurado de outra maneira, estarão Bonded (Colados). É possível aplicar contatos manualmente seja entre faces, seja entre arestas ou ainda de pontos de solda (Spot Welds).
Os contatos podem ser configurados para que sejam detectados por uma distância mínima de proximidade atribuindo-se um valor de distância ou por relevância de -100 a +100, sendo -100 correspondente a maior distância e +100 menor distância. Também é possível configurar se os contatos devem ser Face/Face, Face/Aresta ou Aresta/Aresta e qual a prioridade para detecção automática.
Tipos de contato
No Ansys Workbench existem diferenças nas opções de contato e determinam como os corpos podem se mover em relação ao outro. A maioria desses tipos só se aplica a regiões de contato formadas por faces. Os tipos são: Bonded (Ligado ou colado), No separation (Sem separação), Frictionless (Sem atrito), Rough (Áspero) e Frictional (Com atrito).
Bonded - Ligado
Esta é a configuração padrão para regiões de contato, sempre que se inicia o Static Structural (Ambiente de análise estrutural) de um conjunto de peças, este tipo é automaticamente inferido. Se as regiões de contato são ligadas, em seguida, nenhum deslizamento ou separação entre as faces ou arestas é permitido. Imagina- se a região como colada. Este tipo de contato permite uma solução linear já que o contato comprimento / área não mudará durante a aplicação da carga. Se o contato for determinado com o modelo matemático, eventuais lacunas serão fechadas e qualquer penetração inicial será ignorada.
Domingos F. O. Azevedo
No separation - Sem separação
Esta opção de contato é semelhante ao caso ligado. Ele só se aplica às regiões de faces. A separação das faces em contato não é permitida, mas pequenas quantidades de atrito de deslizamento podem ocorrer ao longo de faces de contato.
Frictionless - Sem atrito
Esta é a opção padrão de análise de contato unilateral, ou seja, a pressão normal é igual a zero se a separação ocorre. Só se aplica às regiões de faces. Assim, as lacunas podem formar-se entre os corpos, dependendo da carga. Esta solução não é linear porque as áreas de contato podem ser alteradas conforme a carga é aplicada. Um coeficiente zero de atrito é assumido, permitindo correr livre. O modelo deve ser bem restrito ao usar essa opção de contato. Molas fracas (Weak springs) são adicionadas ao conjunto para ajudar a estabilizar o modelo a fim de alcançar uma solução razoável.
Rough - Áspero
Semelhante à opção de atrito, esta opção de atrito áspero é perfeitamente adequada a modelos onde não há deslizamento. Só se aplica às regiões de faces. Por padrão, nenhum fechamento automático das lacunas é realizado. Este caso corresponde a um coeficiente de atrito infinito entre os corpos em contato.
Frictional – Com atrito
Nesta opção, o contato entre duas faces pode carregar tensões de cisalhamento até certa magnitude através de sua interface antes de começar a deslizar em relação ao outro. Só se aplica às regiões de faces. Este estado é conhecido como "aderente". O modelo define uma tensão equivalente de cisalhamento em que se desliza pela face começa como uma fração da pressão de contato. Uma vez que a tensão de cisalhamento é excedida, as duas faces vão deslizar em relação à outra. O coeficiente de atrito pode ser qualquer valor não negativo.
Análise Estrutural com ANSYS Workbench V15
Exemplo 1 – Analise de uma peça:
Para iniciar a análise de uma peça ou conjunto, procede-se conforme descrito a seguir.
1º. - Iniciar o Ansys Workbench.
2º. - Arrastar “Static Structural” do Toolbox para a área à direita para criar um novo projeto de análise. Vide figura a seguir.
Figura 118: Iniciando uma análise no Ansys Workbench. (Repetida).
3º. – Clicar com botão direito sobre “Engineering Data” e em “Edit” e depois acessar a biblioteca de materiais.
4º. - Encontram-se e selecionam-se os materiais desejados e volta-se ao projeto.
5º. - Para encontrar um arquivo de peça existente no computador, clica-se com botão direito em “Geometry” e depois em “Import Geometry” localiza-se o arquivo de desenho que se deseja analisar e clica-se abrir.
6º. – Depois se clica com botão direito em uma das outras células abaixo, por exemplo, Setup, Model ou Results e na opção “Edit”, para iniciar o ambiente de análise.
7º. O ambiente de simulação é então iniciado conforme mostrado na figura a seguir. Neste ambiente seleciona-se o material a ser utilizado foi escolhido anteriormente, se nenhum material foi selecionado será utilizado “Structural Steel”.
Domingos F. O. Azevedo
Figura 119: Interface para a análise estrutural. (Repetida).
Ao selecionar a opção são mostrados, no Mechanical Application Wizard, os procedimentos que se deve seguir para a simulação.
1º. Clica-se em Static Structural e na barra de contexto selecionam-se as soluções desejadas para este tipo de material, conforme mostrados na figura a seguir.
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Carga
Face selecionada
Aplicar a Carga apenas nesta Face
Definir a Magnitude da Carga
Definir a direção da Carga
2º. - Seguindo-se os procedimentos recomendados no Mechanical Application Wizard clicam-se em “Insert Loads” e ele nos mostrará onde encontrar as opções para inserir as cargas.
3º. - Clicando-se onde foi indicado “Static Structural” para este exemplo seleciona-se “Force”, imediatamente aparece Force na pasta “Static Structural”, o cursor do mouse estará pronto para que o analista escolha onde deva ser aplicada a carga na peça. Para este exemplo será aplicada na face que aparece em verde na figura a seguir.
4º. - Depois de clicar na face é necessário aplicar para confirmar a seleção ou cancelar se a entidade geométrica selecionada não for o local correto para a carga.
5º. - Clicando no campo Magnitude que aparece amarelo no painel de detalhes se pode estabelecer o valor da carga. Para este exemplo coloca-se 2500 Newtons.
Figura 121: Definições necessárias do tipo de carregamento.
6º. - Se o sentido de aplicação não estiver correto, clica-se no campo em amarelo Direction e depois em uma face ou aresta para ter uma referência de direção e depois nas setas que aparecem no canto superior direito da janela gráfica e alterar-se o sentido da carga.
7º. - Seguindo os procedimentos em “Mechanical Application Wizard” clica-se em “Insert Supports” e depois em “Fixed Support”. Neste momento aparece o “Fixed Support” também na pasta “Static
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Structural” e o cursor do mouse novamente fica pronto para selecionar uma ou mais entidades geométricas da peça para serem os apoios da peça.
8º. Neste exemplo é necessário selecionar apenas a face oposta a força e aplicar.
9º. - Uma vez que já foram definidas as condições de contorno, material e os resultados desejados, pode-se resolver clicando em Solve. Solve é acessado na Barra de Ferramentas Padrão ou clicando-se com o botão direito em qualquer local da árvore.
O Ansys irá iniciar a simulação verificando se todas as condições iniciais foram atendidas, criar a malha, preparar o modelo, resolver o que foi requisitado e por fim, mostrar os resultados na janela gráfica.
No “Mechanical Application Wizard” devem aparecer todos os itens “ticados” em verde, indicando que tudo foi realizado corretamente e na árvore ao lado de cada resultado devem aparecer os mesmo sinais.
Figura 122: Verificação das etapas realizadas no Mechanical Application Wizard.
Vide as figuras a seguir com a malha e os resultados que são mostrados pela coloração das peças juntos a uma legenda que expõe os valores limites correspondentes a cada cor.
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Figura 123: Resultados de malha e tensões apresentadas na janela gráfica.
Figura 124: Resultados de tensão de cisalhamento e deslocamento apresentados na janela gráfica.
Figura 125: Resultados de fator e margem de segurança apresentados na janela gráfica.
Tensão von Mises Malha
Tensão de Cisalhamento
Deslocamento
Fator de
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Exemplo 2 – Analise de um Conjunto de Peças:
A análise de conjuntos de peças montadas se diferencia da análise de apenas uma peça por necessitar de definição de contato entre as peças e consequentemente da interação entre estas peças do conjunto.
As peças do conjunto podem ser de materiais diferentes que o Ansys irá simular o considerando o comportamento interativo entre os materiais.
Figura 126: Conjunto de pistão e biela de motor a combustão.
Os contatos entre as peças são aplicados automaticamente entre as faces das peças, como se as peças estivessem coladas (Bonded) se a proximidade entre as peças for menor que um valor predefinido. Entretanto o tipo de contato pode ser alterado a qualquer tempo pelo analista. Vide figura abaixo.
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As definições de contato estão em detalhes da árvore quando se seleciona Contact.
Um conjunto de peças ao ser transferido para o ambiente de simulação leva o nome de cada uma das peças que fazem parte do conjunto, podendo então ser identificadas facilmente para que possam receber a especificação dos materiais com os quais serão construídos.
Figura 128: Relação de peças do conjunto mostrada na árvore.
Ao selecionar uma peça do conjunto na árvore, o painel de detalhes da árvore mostrará informações relativas àquela peça em especial, entre estas informações está a especificação do material, clicando sobre o campo do material se pode alterar o material para um daqueles definidos para o projeto em Engineering Data.
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Nos programas associativos o material pode ser importado e aplicado automaticamente a cada uma das peças.
Neste exemplo de conjunto de peças, um pistão tem um pino encaixado na bucha de bronze de uma biela e também nesta, dois casquilhos de bronze onde deverá estar o virabrequim. Supondo que uma determinada carga seja aplicada sobre a superfície do pistão devido a explosão na câmara de combustão de um motor. Quais seriam os pontos com as maiores tensões no conjunto?
Para analisar a condição citada é necessário colocar as condições de contorno mais próximas possíveis da realidade. Neste exemplo foi colocada uma força de 10kN (Force) sobre o pistão, apoio fixo (Fixed Support) em um dos casquilhos e um apoio sem atrito (Frictionless Support) na superfície externa do pistão. Obs.: a temperatura de análise é 22 °C. Vide figura abaixo mostrando as condições de contorno.
Figura 129: Condições de contorno aplicadas e apresentadas na janela gráfica.
Note que a temperatura da análise é irreal, pois uma câmara de combustão de motor é superior aos 22 °C, mas para este exemplo desprezou-se esta condição.
Antecipadamente, se pode definir o tipo de análise como para materiais dúcteis (macios) e formar a malha (Mesh) clicando sobre Mesh com botão direito do
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mouse e depois em Generate Mesh ou Preview Mesh (Prévia da Malha). Vide figura abaixo.
Figura 130: Discretização do conjunto.
Após a geração da malha (Discretização) basta clicar no raio amarelo ou com botão em Solve para iniciar a análise. Vide figura abaixo.
Figura 131: Processo de análise sendo executado pelo programa.
Ao clicar em Solve o Ansys inicia a análise e mostra em uma janela o status da análise que possui diversas etapas entre elas a preparação, resolução e atualização gráfica dos resultados. Vide figura anterior.
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Ao encerar a análise se podem ver na janela gráfica os resultados clicando em cada uma das soluções.
Na figura a seguir é mostrado o resultado das tensões von Mises, mas os maiores valores estão ocultos pelo pistão, esta visualização mostra o exterior com cores suavizadas e também o modelo indeformado. É obvio que com esta visualização não se pode saber onde exatamente ocorrem as maiores tensões.
Figura 132: Resultado de tensão von Mises do conjunto apresentado na janela gráfica.
Ocultando o pistão na visualização é possível ver que a região de grande tensão na peça ocorre entre o pino e a bucha, conforme mostrado na figura abaixo, para isto clica-se com botão direito do mouse sobre a peça desejada e depois em Hide Body.
Figura 133: Resultado de tensão von Mises do conjunto sem a visibilidade do pistão.
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Outra alternativa para a visualização é trocar de exterior para IsoSurfaces na barra de ferramentas de contexto, para se ter a visualização da região. Vide figura a seguir.
Figura 134: Resultado de tensão von Mises visualizado com Iso Surfaces.
Na figura a seguir, se pode ver que as tensões de cisalhamento ocorrem na mesma região.
Domingos F. O. Azevedo
Ao lado se vê a deformação exagerada que ocorre nas peças em função da carga e rigidez do material.
Figura 136: Resultado de deformação do conjunto.
Na figura a seguir, pode-se ver que o fator de segurança, para o critério von Mises, do conjunto de peças é menor quando a tensão é maior.
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Clicando na aba Report Preview o relatório de análise será automaticamente gerado e mostrará todas as informações relevantes. Se forem inseridas figuras para mostrar cada uma das imagens da análise seja geometria, malha, condições de contorno ou soluções elas serão mostradas no relatório.. É possível exportar o arquivo para Microsoft Word e Power Point.
Domingos F. O. Azevedo
Validação dos resultados
Mais importante do que a simulação feita no Ansys ou qualquer outro programa de análise é a participação do engenheiro em todo o processo de análise, porque é ele quem deve realizar as principais tarefas para que a simulação seja possível e é ele quem deve analisar os resultados obtidos e aprovar ou não o projeto.
O engenheiro deve especificar: Os materiais a utilizar.
As condições de contorno compatíveis com a situação real. Quais os cálculos devem ser realizados.
Interpretar e validar os resultados obtidos.
Ao aprovar um projeto, o engenheiro está atestando sua funcionalidade, segurança e confiabilidade.
Este trabalho não tem como objetivo ensinar o engenheiro decidir quando deve ou não aprovar um projeto, mas algumas dicas podem auxiliar para que este caminho, entre idealização e aprovação do projeto, seja encurtado.
Uma maneira de realizar isto é responder á algumas questões:
A peça ou conjunto atende a funcionalidade esperada da máquina ou equipamento?
A peça ou conjunto podem ser fabricados com os recursos de fabricação disponíveis?
A peça ou conjunto podem ser fabricados com materiais ou processos diferenciados que reduzam seu custo?
É possível reduzir seu custo alterando a matéria prima ou processo de fabricação?
A peça ou conjunto podem oferecer risco á segurança das pessoas envolvidas no processo de fabricação, transporte, utilização ou qualquer outra fase de sua vida útil ou durante a reciclagem do material?
Em caso de falha da peça ou conjunto existe alguma possibilidade de que ocorra falta de segurança como as citas anteriormente?
A peça ou conjunto podem oferecer risco á segurança do patrimônio em qualquer fase de sua vida ou durante a reciclagem?
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As tolerâncias de dureza, dimensionais, etc. são adequadas ao projeto, ou seja, não são estreitas demais o encarecendo desnecessariamente, nem abertas demais, causando mal funcionamento do conjunto ou risco á segurança?
O tempo de vida da peça ou conjunto está dentro do esperado pelo cliente? A disposição da peça ou conjunto permite a manutenção periódica e troca de seus componentes?
Os componentes do tipo; parafusos, porcas, rolamentos, motores, etc. utilizados na construção da máquina ou equipamento são normalizados ou são especiais?
Não seria possível substituir os componentes especiais por normalizados e assim reduzir o custo de fabricação e manutenção?
As perguntas formuladas não estão necessariamente em uma ordem de prioridades.
Outras perguntas poderiam ser formuladas para complementar o questionário, de forma a se obter maior certeza de um perfeito funcionamento, confiabilidade e segurança. Mas para este trabalho que como dito anteriormente não tem esta finalidade, já é suficiente.
Uma pergunta que poderia ser formulada pelo leitor agora é: Como utilizar os resultados obtidos através do Static Structural do Ansys para obter algumas das respostas necessárias?
No exemplo dado não foi especificado a aplicação a ser dada á peça ou seus critérios de funcionamento, segurança e diversos outros aspectos importantes para uma completa exploração deste caso, mas se podem verificar através dos resultados alguns aspectos importantes citados no questionário, são eles:
A tensão de escoamento á tração ou compressão que o material suporta é 250MPa e o maior valor obtido pela simulação (Tensão Equivalente von Mises) foi 150MPa, ou seja, a peça não terá deformação permanente seja por tração ou compressão.
A tensão máxima de cisalhamento (Maximum Shear) que o material suporta é a metade da tensão de escoamento 125MPa, e o maior valor obtido na simulação foi 77,7MPa, portanto a peça também não romperá por cisalhamento.
Domingos F. O. Azevedo
A maior deformação obtida no Static Structural foi 0,1mm, portanto se esta deformação não impedir o funcionamento do equipamento é um critério que obteve aprovação.
Foram colocadas automaticamente como itens de resultados desejados duas pastas Stress Tool e Stress Tool 2 em Solution. Se verificar o seu conteúdo se vê que existem dois resultados em cada uma das pastas e referem-se ás tensões von Mises e Máximo Cisalhamento (Maximum Shear) respectivamente.
Existe o Safety Factor (Fator de Segurança) e o Safety Margin (Margem de Segurança) quando á tensão von Mises o fator de segurança mínimo é 1,7 e a margem de segurança é então 0,7.
Da mesma forma o fator de segurança para cisalhamento é 1,6 e a margem de segurança é então 0,6.
Ou seja, em ambos o programa forneceu os fatores de segurança e a margem de segurança que se está sendo utilizada para a peça.
Se a aplicação da peça não for crítica e não houver carregamento cíclico que venha a causar fadiga do material a peça do exemplo pode ser aprovada.
Entretanto, se a utilização da peça em uma máquina ou equipamento em que a segurança pudesse ser prejudicada em caso de falha seria necessário rever o projeto para que o fator de segurança fosse aumentado.
Para aumentar o fator de segurança é possível alterar o material, alterar a sua geometria nos pontos críticos, ou seja, onde as tensões são maiores ou reduzir o carregamento.
Entretanto se a aplicação não for crítica, mas a peça durante sua utilização estiver submetida a cargas que variem com o tempo e eventualmente possam causar a fadiga do material, é necessário que seja feito uma nova análise para verificar se a peça não falhará por fadiga.
No Static Structural do Ansys é possível alterar o material da análise colocando outro existente na livraria ou criar um novo material e também verificar a resistência á fadiga de materiais.
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