ANÁLISE ESTRUTURAL ESTÁTICA DE ELEMENTOS FINITOS DE UM CHASSIS DO TIPO MULTITUBULAR DE UM CARRO DE DRAG RACING. Análise estrutural estática de elementos finitos de chassi multitubular de carro de corrida / Andreos Heller Pereira de Araújo; orientação de Alexandre Galiotto. ANÁLISE ESTRUTURAL ESTÁTICA DE ELEMENTOS FINITOS DE UM CHASSIS DE CARRO DE DRAG RACING.
Objetivo geral
O MEF baseia-se na discretização e divisão do domínio do objeto analisado em pequenas partes denominadas elementos.
Objetivo específico
Dessa forma, é possível transformar um problema muito complexo na soma de vários problemas com menor grau de complexidade (PEREIRA, 2016). Portanto, neste capítulo será dada uma visão geral da definição do chassi e suas formas, propriedades e tipos.
Propriedades de um chassi
- Cargas atuantes em um chassi veicular
- Resistência e rigidez mecânica
- Rigidez a flexão vertical
- Rigidez torcional
- Cálculo da rigidez torcional de um chassi
Além disso, serão discutidos os métodos de simulação utilizados para medir um chassi. Cargas torcionais longitudinais resultam de cargas aplicadas atuando em um ou dois cantos opostos do veículo conforme mostrado na figura 1. Este é geralmente considerado o primeiro ponto determinante para o desempenho do chassi de um carro de corrida (RILEY; . GEORGE, 2002).
Projetar um chassi rígido deve ser um exercício de aplicação de estrutura básica ao projeto. Considerando que a maior parte das cargas sobre um chassi recai sobre a suspensão dianteira e traseira, a rigidez entre esses dois pontos deve ser elevada. Portanto, as duas principais cargas sobre um chassi, flexão vertical e torção longitudinal, serão discutidas mais detalhadamente nos capítulos seguintes.
Projetar um chassi que tenha boa rigidez à flexão vertical não é difícil e a maioria dos carros não apresenta problemas de deflexão com esse tipo de carregamento. Outro problema prático que pode ser observado é as portas não fecharem corretamente ao estacionar o carro em terreno irregular, por exemplo com uma roda no meio.
Principais tipos de chassis
- Tipo escada
- Chassi cruciforme
- Chassi multitubular ou spaceframe
- Construção unitária ou monobloco
O tipo de material mais comum utilizado para este tipo de chassi é o aço de baixo carbono e o principal método de construção é através da soldagem a gás. É possível projetar uma estrutura para suportar cargas de torção onde nenhum elemento da estrutura esteja sujeito a um momento de torção. Este tipo de quadro apresenta boa rigidez torcional desde que a junta central seja projetada de forma satisfatória.
Neste tipo de construção é necessário garantir que todos os planos estejam perfeitamente triangulares para que os membros da viga sejam essencialmente carregados em tração ou compressão. A Figura 11 mostra a diferença entre membros de viga triangulados e membros de viga não triangulados. Hoje, os carros modernos produzidos em massa são quase exclusivamente produzidos pressionando uma chapa de aço com pontas soldadas para formar uma estrutura integral.
Trata-se de uma estrutura cujos componentes servem tanto como estrutura do carro quanto como formato do veículo. Porém, este tipo de chassi só é viável economicamente se for fabricado em larga escala devido à necessidade de ferramentas específicas que exigem altos investimentos para sua construção.
Métodos de análise estrutural de um chassi
Método de elementos finitos
O método dos elementos finitos (MEF) é atualmente indispensável na engenharia de diversos tipos de análises em diversos tipos de campos. Na engenharia mecânica, por exemplo, a análise de deslocamentos e tensões num sólido sujeito a influências externas é de grande importância no planejamento e dimensionamento de estruturas como pontes, edifícios, casas, entre outras. Este método baseia-se na discretização e divisão do domínio do objeto analisado em pequenas partes, denominadas elementos, que preservam as mesmas propriedades e características do meio original.
Desta forma é possível converter um problema muito complexo na soma de vários problemas com menor grau de complexidade. Ou seja, o sólido analisado é dividido em diversas partes menores, chamadas elementos de malha, e cada elemento é analisado separadamente, simplificando os cálculos. Os elementos finitos pertencem a um conjunto mais amplo denominado malha, que inclui os elementos que caracterizam o sistema físico, conectados por pontos denominados nós ou nós.
SolidWorks Simulation
O software escolhido para a simulação foi o Solidworks, devido à já familiaridade com o software, pois há até disciplinas de desenho com este software no curso de bacharelado. Portanto, após a conclusão da simulação, os resultados foram discutidos e analisada a necessidade de modificações no projeto. Por fim, são apresentados os resultados das simulações, definindo se o chassi está adequado para uso ou não.
Levantamento geométrico
Modelagem tridimensional em Solidworks
Nesta modelagem optou-se por não projetar os suportes e conexões da suspensão e da carroceria, pois não eram necessários para as simulações, uma vez que o objeto do estudo está focado nas propriedades mecânicas do chassi como um todo e como ele deve se comportar. . que está sujeito a esforços previamente determinados. Para esta primeira análise, optou-se por utilizar diâmetros e espessuras únicas para os tubos para verificar quais partes do chassi sofrem maiores tensões que necessitarão de melhorias e/ou ajustes. Estas dimensões são tomadas como referência à média das dimensões dos tubos do próprio chassi físico tomado como referência.
A maioria dos tubos tem diâmetro de 38,10 mm e espessura de 2,65 mm, conforme mostra a Figura 17.
Definição do material
Geração da Malha
Neste exemplo foram considerados elementos de apoio de dois nós, onde cada nó possui 6 graus de liberdade (deslocamentos x,y,z e rotações x,y,z).
Condições de fronteira para simulação da tensão máxima de flexão
Tanto a análise numérica do chassi quanto a modelagem da estrutura são resultados da utilização do módulo Solidworks Simulation. Portanto, a Figura 19 apresenta as condições de contorno aplicadas à estrutura para simular a tensão máxima de flexão do chassi. As áreas que ligam as setas verdes às juntas do chassi possuem geometria fixa, o que significa que nestes pontos não são possíveis movimentos em qualquer um dos eixos x, y, z, bem como rotação e deslocamento em qualquer um destes eixos. para simular com precisão os pontos de fixação do chassi aos eixos do carro.
Carga total aplicada
A Tabela 3 lista o que foi considerado esforço estático a ser suportado pelo chassi para cálculo do peso total do carro.
Divisão da carga sobre o chassi
Esta carga P de 9613,8 N deve ser dividida entre a traseira e a dianteira do carro, levando em consideração que todas as peças do motor e da caixa de câmbio, que são as partes mais pesadas do veículo, estão localizadas na traseira. Portanto, foi acordado que esta força P deveria ser dividida em duas partes, de modo que 70% desse peso fosse aplicado na parte traseira do chassi (em verde) e o restante na parte dianteira (em amarelo).
Rigidez torcional
Condições de fronteira para simulação
Utilizando condições o mais próximas possível do comportamento real do veículo, os pontos de fixação ou condições de contorno da estrutura foram os pontos onde o chassi foi fixado à suspensão traseira e ao eixo da roda traseira respectivamente. Assim, a Figura 22 apresenta as condições de contorno aplicadas à estrutura para a simulação do rolamento do chassi. As áreas de ligação dos triângulos verdes com os nós do chassi são de geometria fixa, ou seja, nestes pontos não são possíveis deslocamentos ou translações em nenhum dos eixos x, y, z, mas é permitida a rotação em qualquer um desses eixos. para simular uma torção longitudinal do chassi.
Carga aplicada ao chassi
Na parte frontal do chassi, as vigas são projetadas para representar a bitola do veículo com seu eixo correspondente, onde são montadas as rodas, que em situação real é onde se localizam as forças de torção do chassi. A Figura 23 mostra a frente do chassi com as vigas representando a pista dianteira do veículo representada em azul. Para esta primeira simulação é considerada uma abordagem estática da bitola, uma vez que a suspensão do veículo não é levada em consideração.
Conforme explicado, foi determinado que 70% da carga do veículo ficaria na traseira e o restante na dianteira do veículo, pois as partes mais pesadas do carro afetariam a traseira. Portanto, para a simulação de torção do chassi, a parte traseira será fixa e a parte dianteira será submetida a uma carga binária de mesma magnitude e em direção oposta, igual à metade da carga na frente do veículo, ou seja, 2884,1 N. Cada uma dessas forças foi colocada nas extremidades do perfil do chassi, onde as rodas seriam conectadas.
Estas forças se opõem, conforme mostrado na Figura 24, para simular com precisão a torção do chassi. Portanto, a Figura 25 apresenta as condições de contorno e as forças aplicadas ao chassi, dando uma ideia geral das condições utilizadas para simular a torção do chassi.
Geração da malha
Simulação da tensão máxima de flexão
Deslocamento máximo no chassi
Análise dos resultados e propostas de melhoria
Propostas de melhoria
Portanto, optou-se por fazer uma alteração no diâmetro destes tubos centrais, aumentando o seu diâmetro de 38,10mm para 50,80mm. Além dos tubos centrais do chassi, foram modificados os diâmetros dos tubos que atingiram valor acima de 80% da tensão de escoamento do material no ensaio de máxima tensão de flexão, todos com as mesmas dimensões da Figura 28. A Figura 29 mostra todos os tubos modificados com as novas dimensões em azul.
Esta proposta de melhoria visa reduzir as tensões nestes tubos para menos de 80% do limite de escoamento do material e reduzir os deslocamentos destes tubos, conferindo assim maior rigidez a esta parte do chassi.
Geração da malha
Simulação da tensão máxima de flexão após proposta de melhoria
Deslocamento máximo no chassi após proposta de melhoria
A Figura 31 apresenta o novo teste de deslocamento do chassi após proposta de melhoria para aumento dos diâmetros dos tubos central e traseiro do chassi.
Rigidez torcional
Proposta de melhoria para aumentar a rigidez torcional do chassi
A Figura 36 mostra as demais vigas, em azul, que foram acrescentadas no piso do chassi e na parte traseira para aumentar a rigidez torcional do chassi. Essa massa foi adicionada no cálculo do peso total do veículo para recalcular a nova força-torque utilizada para calcular a rigidez torcional do chassi. As setas verdes representam a traseira do chassi em geometria fixa e as setas vermelhas representam o torque das forças aplicadas na dianteira.
Para calcular a rigidez torcional do chassi é necessário verificar os deslocamentos nas regiões onde são aplicadas as forças torcionais. Porém, a rigidez torcional do chassi está abaixo do que deveria ser para um carro de corrida, conforme tabela de Sampó (2011) mostrada na Figura 34. Foram introduzidos os conceitos relacionados à simulação computacional de um chassi, e primeiramente, o o foco estava na flexão do chassi com rigidez.
Para isso, foram apresentados os resultados obtidos para a tensão máxima e deslocamento máximo do chassi com o auxílio da ferramenta Solidworks Simulation. Os primeiros resultados apresentados para tensão máxima e deslocamento máximo foram 378,7 Mpa e 4,25 mm respectivamente, e estes foram concentrados nos tubos central e traseiro do chassi.
