Nesta seção serão apresentadas as metodologias utilizadas para o pós-processamento de resultados, que serão avaliados em relação a critérios de tensão e fadiga.
No capítulo 2 foram apresentados alguns critérios de falhas que podem ser utilizados para avaliar a resistência do componente a determinados esforços. Esses critérios foram divididos em independentes e dependentes do tempo. O bloco de motores alternativos é um caso clássico de componente exposto a esforços cíclicos que são críticos para falha por fadiga e é fundamental a sua análise por esse critério. Entretanto, a análise estática das tensões por critérios independentes do tempo é importante para determinar regiões críticas do componente com baixo custo computacional.
O Critério de falha estático selecionado para a análise do bloco do motor foi o Coulomb-Mohr frágil. Essa escolha foi baseada no tipo de material do bloco, que é frágil e possui limites de resistência diferente para compressão e tração. Conforme apresentado no capítulo 2 para materiais frágeis o critério de Coulomb-Mohr é preferível sob o critério da Tensão normal máxima por apresentar resultados mais condizentes com os reais.
4.7.1 Tensões (critério de Coulomb-Mohr)
Do ponto de vista computacional, uma vez obtida a solução do problema é necessário visualizar os resultados, essa tarefa é associada ao pós-processador. No caso do ANSYS®
Mechanical o sistema de pós-processamento é integrado ao ambiente principal.
Com o visualizador do ANSYS® é possível analisar os resultados diretamente calculados no Solver e salvos no arquivo de solução. Esse é o caso da tensão equivalente de von Mises, deformação especifica, energia de deformação, etc..
O pós-processador possui também ferramentas para cálculo de tensões equivalentes com base em outros critérios de falha diferentes da tensão de von Mises. O fator de segurança
pode ser avaliado em relação ao critério de Coulomb-Mohr através da ferramenta Mohr-
Coulomb Stress. Com essa ferramenta, a partir das tensões calculadas pelo solver é especificado
o fator de segurança com base na Equação 6 que será repetida a seguir (ANSYS®, 2017). 𝐹𝑆 = [ 𝜎1 𝑆𝑢𝑡 + 𝜎2 𝑆𝑢𝑐 ] −1 (6) 4.7.2 Fadiga
No pós-processamento das tensões para a análise de fadiga do bloco, foi utilizado o
software comercial FEMFAT® – finite element method fatigue. Mais especificadamente, o
módulo utilizado foi o FEMFAT®-MAX que é um módulo para análise de componentes com carregamento multiaxiais. Esse módulo comporta dois tipos de dados de entrada para tensão: estados de tensão associados a histórico de carregamento (ChannelMAX) e estados transientes de tensão (TransMAX) (GAIER, et al., 2000). Neste trabalho foram considerados casos de carregamento críticos em determinados instantes para representar o comportamento do bloco, por isso foi utilizado o módulo TransMAX. O uso do software FEMFAT® foi possível graças ao apoio da FCA que tornou possível as análises de fadiga presentes nesse trabalho.
Para estimativa da resistência à fadiga no FEMFAT® são dados como entrada os resultados das tensões de cada caso de carregamento analisado, além de dados do comportamento do material para fadiga. Um diagrama com o processo de análise para o módulo
TransMAX é apresentado na Figura 85.
Detalhes da teoria do “critério do plano crítico” para carregamentos multiaxiais aplicada ao FEMFAT® pode ser encontrada em Gaier et al. (2000).
Figura 85 - Diagrama do processo de análise do módulo TransMAX - FEMFAT®
4.7.2.1 Análise FEMFAT® TransMAX
Na análise de resistência à fadiga de bloco de motores com o FEMFAT®, algumas considerações são necessárias nos diversos grupos de informações do software.
Em relação ao modelo MEF, esse é importado para o FEMFAT® através da mesma malha utilizada nas análises estruturais. Entretanto, apenas os componentes que são objetos de estudo para fadiga (bloco e sub-bloco) são considerados (Figura 86).
Figura 86 – Modelo MEF considerado na análise de fadiga no FEMFAT®
Além dos arquivos de resultados de cada caso analisado (arquivos .RST), também é importado para o FEMFAT® o mapa térmico dos componentes. Dessa forma, pode ser considerado o efeito da temperatura sobre a resistência a fadiga do material.
A partir de propriedades mecânicas conhecidas do material, foi possível estabelecer as características de resistência a fadiga (Tabela 11), utilizando para isso a calculadora de materiais do próprio software. Foi necessário estabelecer para o ferro fundido GH190, a classe do material (ferros fundidos cinzentos) e os valores do limite de resistência a ruptura para tração e compressão.
Tabela 11 – Propriedades de resistência a fadiga estabelecidas para o ferro fundido GH190
Propriedades Tração Compressão Flexão Cisalhamento
Tensão de ruptura [MPa] 255,0 820,0 510,0 216,8
Tensão pulsante [MPa] 102,0 0,0 199,0 91,4
A partir das propriedades mecânicas e características calculadas para o material, o FEMFAT® gera os diagramas S-N (Figura 87) e de Haigh (Figura 88). Pode-se observar que o diagrama de Haigh da Figura 88 possui mais pontos de criação do que o diagrama apresentado no capítulo 2. Detalhes sobre o diagrama modificado utilizado pelo FEMFAT® pode ser encontrado em Gaier et al. (2000).
Figura 87 – Curva S-N para o ferro fundido GH190
5 RESULTADOS E DISCUSSÕES
Nessa seção serão apresentados os resultados após a solução do problema, cuja análise foi dividida em steps (passos) com base na metodologia proposta apresentada nas seções anteriores. Com base nas tensões obtidas, foi realizada uma breve análise dos componentes acoplados ao bloco e, também, um estudo das tensões no bloco para diferentes tipos de carregamento. Os resultados também foram pós-processados e os critérios de Coloumb-Mohr e de fadiga foram aplicados para avaliação da estrutura do bloco.