MODELAGEM COMPUTACIONAL DA DINÂMICA DE UM VEÍCULO OFF-ROAD
Daniel de Moura Prudente – IC
E-mail: zaza03@h8.ita.br
Sérgio Frascino Müller de Almeida – PQ
Instituto Tecnológico de Aeronáutica
Divisão de Engenharia Mecânica-Aeronáutica
Departamento de Projetos
Pça. Mal. Eduardo Gomes, n
o50, Vila das Acácias.
CEP: 12228-901, S. José dos Campos – SP
RESUMO
O trabalho consiste em, através de dois pacotes computacionais, simular a dinâmica dianteira de um veículo do tipo mini-baja, com imposição de movimentos similares a uma pista fora de estrada. Se fez a modelagem da carroceria do veículo em elementos finitos, no software Ansys®, modelando, em seguida, todo o sistema da suspensão dianteira fixado na mesma, no software DADS®. Então o sistema foi analisado de acordo com entradas periódicas.
ABSTRACT
The work consists in, by two simulation programs, simulating the front dynamic of a mini-baja vehicle, with off-road similar motion. The chassis of the vehicle was modelled by finite elements, in software Ansys®, and all the front suspension system was modelled in software DADS®. So the system was analysed according to periodic entry.
1. INTRODUÇÃO
Considerando-se a importância da flexibilidade estrutural no comportamento dinâmico de veículos automotivos e do seu estudo como um todo, desenvolveu-se um trabalho sobre a modelagem de um veículo off-road, mais precisamente, de um veículo Mini Baja incluindo-se esses efeitos. Após um ano de trabalho com sistemas multicorpos flexíveis, viu-se a oportunidade de utilizar tal experiência para a avaliação do comportamento dinâmico do veículo projetado pela equipe de Mini Baja do ITA. Conceitos como sistemas multicorpos com flexibilidade foram aproveitados do último projeto, tendo em vista que a estrutura do veículo pode ser considerada como um complexo sistema flexível com pontos de fixações onde são aplicados deslocamentos.
A influência de tais deslocamentos no veículo pode ser analisada a partir de um modelo estrutural desenvolvido em um software de elementos finitos e repassados seus dados para um software de mecanismos, onde será analisada a influência de um percurso pré-determinado na dinâmica do veículo. Para a análise por elementos finitos, optou-se pelo Ansys® devido ao pré-conhecimento do aluno em seu último trabalho. O software de mecanismos utilizado foi o DADS®, com interface semelhante ao ADAMS®, utilizado no último projeto.
A flexibilidade e os problemas devido às vibrações do sistema foram estudados ao considerar-se impactos impostos pela irregularidade do terreno, causando “arfagem” (defeito de estabilidade no sentido longitudinal) e/ou “balanço” (inclinação lateral do veículo). Adicionalmente, o veículo pode perder aderência ao terreno e conseqüentemente se desestabilizar em condições críticas de aceleração. O software DADS foi utilizado justamente para facilitar o estudo da flexibilidade, através de elementos conhecidos como juntas (por exemplo, bushings, juntas revolutas, etc).
Esse projeto teve o objetivo de avaliar o comportamento de um veículo do tipo off-road de competição de pequena dimensão, em termos de estrutura e parte dianteira, basicamente a suspensão. Para a modelagem do veículo foi utilizada a última estrutura reformada do Mini Baja do ITA, um veículo projetado e construído pelos próprios alunos do Instituto. Em termos de melhoramento na modelagem computacional, o projeto foi considerado satisfatório, tornando-se necessário um estudo mais aprofundado para o melhoramento do próprio conceito de suspensão utilizado pela Equipe de Mini Baja do ITA.
2. DESCRIÇÃO DO PROBLEMA
Em primeira instância, o protótipo foi modelado no Ansys® [9]. Colocaram-se todos os dados necessários da estrutura, os quais podem ser vistos nas tabelas a seguir.
Tabela 1: Principais características da estrutura utilizada no Ansys®
Tipo de elemento Material Secção transversal do tubo
Beam 4
(elástico, dois nós) Tubos de Aço 1020
Circular vazado de 2.25 mm de espessura Circular vazado de 1.20 mm de espessura Tabela 2: Características do material utilizado no Ansys®
Módulo de Elasticidade (GPa) Módulo de Cisalhamento (GPa) Coeficiente de Poisson Densidade (kg/m3) 209 85 0,27 7850
Após a modelagem, foi feita a análise dos pontos de fixação da suspensão dianteira do veículo. Tal análise foi a obtenção dos modos de corpo rígido e modos estáticos do sistema de acordo com tais pontos (braços das bandejas mais amortecedores) na estrutura.
Com a obtenção de tais características do sistema, foi utilizado o DADS® para análise de mecanismos. Neste programa, toda a dinâmica do Mini Baja é realizada de acordo com os dados obtidos no Ansys®, os quais são conferidos e analisados de forma a poder-se iniciar a simulação do mecanismo como um todo, já com o sistema de suspensão.
Tais dados são os modos normais (referentes aos corpos rígidos) e os modos estáticos. Para que o DADS® crie um corpo flexível através de um modelo no Ansys® são necessários três tipos de arquivo a serem criados no Ansys®: *.mp, *.rst e *.emat. Respectivamente estes arquivos representam as propriedades do material (e neste caso os modos de corpo rígido também), os modos estáticos e a matriz de massa/elasticidade dos elementos do modelo.
A modelagem no Ansys® se deu com base em aplicações de deslocamentos nulos e/ou unitários nos pontos de fixação da suspensão na estrutura (em amarelo na figura 12), de acordo com os graus de liberdade em cada ponto. A diferenciação no número de graus de liberdade ocorreu entre os braços das bandejas (4 graus de liberdade) e os amortecedores (3 graus de liberdade). No primeiro caso os carregamentos foram aplicados nos graus UX, UY e UZ, enquanto no último nos graus UX, UY, UZ e ROTY, resultando em trinta oito (38) simulações para obtenção dos modos estáticos (arquivo *.rst).
FIGURA 1: ESTRUTURA UTILIZADA PARA ANÁLISE DINÂMICA
Feitas tais simulações utilizou-se o tradutor DFBT do DADS® para traduzir os dados obtidos no Ansys® e passar para o DADS/FLEX. O “tradutor” puxa os dados dos três arquivos citados anteriormente. No DADS/FLEX, é necessário conferir a validade dos dados transferidos, tendo em vista a possibilidade de erros neste tipo de intercâmbio de arquivos.
Conferidos todos os modos de vibração da estrutura, foi necessário ortogonalizar todas as freqüências naturais para tirar os modos de corpo rígido. Assim os seis primeiros modos foram retirados automaticamente pelo programa, após a ortogonalização. Portanto, os trinta e oito modos resultaram em trinta e dois.
Feitas as modificações necessárias no DADS/FLEX, iniciou-se a fase de utilização do DADS propriamente dita. Construiu-se o mesmo modelo do habitáculo, entretanto através de geometrias rígidas, a fim de facilitar na utilização das juntas, forças e constraints. As propriedades de massa do corpo rígido foram substituídas pelas propriedades do corpo flexível (teoricamente seriam os mesmos valores). No caso dos momentos de inércia, para o corpo flexível há variação de acordo com a simulação, de forma que foram desconsiderados durante a simulação dinâmica realizada. Por isso, tais valores nem serão mencionados neste relatório visando algo mais sucinto. A massa utilizada foi de 27,695 kg.
Mudou-se o corpo de rígido para flexível através do DADS/FLEX e construiu-se o sistema de suspensão dianteira. Foram construídos os braços da suspensão, os pinos-mestres e os pneus.
Através de forças do tipo TSDA (mola translacional) modelou-se os amortecedores e os pneus traseiros e dianteiros, considerando-se a modelagem mais simples possível provida de rigidez e amortecimento.
Para finalizar a modelagem, foi imposto um movimento do tipo harmônico no pino-mestre (no centro do pneu) de um lado do carro (sentido positivo de “x”). Este movimento foi colocado visando simular uma pista sinuosa em um dos lados da pista, em um pequeno intervalo de tempo, tendo em vista que o impacto é considerando perigoso para a suspensão de um mini baja.
Feita a modelagem completa do chassi do mini baja, fez-se uma simulação do tipo dinâmica e se observou, através de gráficos, as reações do sistema de suspensão por meio dos deslocamentos dos nós onde haviam as fixações e das energias envolvidas no sistema todo.
3. RESULTADOS
Inicialmente foram calculados os trinta e oito modos estáticos associados com os graus de liberdade de junção. Pode-se perceber que a deformação ocorre praticamente nas proximidades do ponto que sofre o deslocamento/rotação, de maneira que consideramos um deslocamento pontual. Os valores não foram colocados neste relatório devido ao espaço mínimo requerido.
Ao transferir os dados para o DADS®, os trinta e oito modos obtidos foram ortogonalizados e restaram trinta e dois. Logo abaixo é mostrado o primeiro modo de vibração obtido após a retirada dos modos de corpo rígido. Este modo possui uma freqüência natural de vibração de aproximadamente 60 Hz.
FIGURA 2: PRIMEIRO MODO DE FLEXIBILIDADE
Vale mostrar que a freqüência utilizada para movimento do pino-mestre na simulação dinâmica é de 40 Hz. Com isso a freqüência utilizada não provoca ressonância, já que é menor que a menor das freqüências naturais do habitáculo. Percebe-se que para freqüências relativamente altas, os modos de vibração têm uma importância relativamente menor uma vez que é mais difícil excitá-los.
Para finalizar são mostrados os resultados da simulação da suspensão através de um movimento harmônico de um dos pinos-mestres. Primeiramente é mostrado tal movimento do pino-mestre. Em seguida podem ser observados os deslocamentos dos nós de fixação da suspensão, no lado direito (sentido positivo de “x”). No primeiro gráfico se observa o nó correspondente à fixação do amortecedor, sendo os demais correspondentes às fixações dos braços da suspensão de cima e de baixo, respectivamente.
Pode-se perceber que há algumas pequenas variações até mesmo no início da simulação (o deslocamento não começa do zero). Isso é aceitável tendo em vista que foi necessário fazer uma subtração de posições entre pontos e centro de gravidade da estrutura, podendo ocorrer arredondamentos, ocasionando tais fatos (deslocamento de 1 milímetro pode ser desconsiderado frente aos demais).
FIGURA 4: DEFORMAÇÃO DO NÓ RELATIVO AO BRAÇO SUPERIOR DA SUSPENSÃO
O nó 201 corresponde ao nó superior mais próximo do bico do carro (equivalente ao número 3, na figura 1, entretanto do lado direito), enquanto o 204 (tracejado) corresponde ao mais próximo do piloto.
FIGURA 5: DEFORMAÇÃO DO NÓ RELATIVO AO BRAÇO INFERIOR DA SUSPENSÃO
O nó 165 corresponde ao nó inferior mais próximo do bico do carro (literalmente no bico do carro, o último nó), enquanto o 166 (tracejado) corresponde ao mais próximo do piloto (ponto 2, na figura 1).
4. CONCLUSÕES
Levando-se em conta que os dados foram considerados compatíveis com o protótipo e que não aconteceram grandes problemas durante o projeto, pode-se considerar que o projeto foi bem aproveitado. Os deslocamentos apresentados nos pontos mais críticos da estrutura foram considerados razoáveis para um veículo do tipo mini baja. Sem dúvida que pode ser melhorado o sistema de suspensão através de modificações no posicionamento e características da geometria da suspensão, entretanto, tal sistema se mostrou satisfatório. Ao menos se passa a ter agora a possibilidade de simular tais mecanismos da equipe de mini baja do ITA.
Os problemas na utilização dos softwares também foram mínimos, ocorrendo apenas em relação ao DADS® devido ao aluno ser iniciante em tal pacote computacional. Como já possuía relativa experiência com o Ansys®, os problemas restringiram-se à maneira de passar os dados de um para o outro pacote (através do DFBT).
Na finalização do projeto foi necessário utilizar vários conceitos mostrados neste relatório e da experiência do professor orientador e até mesmo do aluno no momento da escolha de coeficientes de rigidez e de amortecimento dos pneus utilizados, já que a modelagem de pneus é bastante complicada, até mesmo para pessoas experientes no assunto.
Finalizando, em termos de simulações pode-se dizer que o projeto foi bem satisfatório embora tenha deixado um pouco a desejar em termos de auxílio real para a equipe de mini baja do ITA. Isso devido ao tempo ter sido escasso para um estudo mais detalhado deste sistema. Entretanto, espera-se que tal projeto possa ajudar os vários outros projetos que ainda virão sobre este assunto, procurando colocar a equipe de Mini Baja do ITA em boas colocações.
AGRADECIMENTOS
Torna-se evidente que todo este projeto não poderia ter sido feito sem a ajuda de uma grande quantidade de pessoas. Em especial o CNPq/PIBIC, o orientador Prof. Sérgio Frascino Muller de Almeida, o Centro de Competência em Manufatura (CCM) e a Equipe de Mini-Baja do ITA.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
1 Prathap, G. The Finite Element Method In Structural Mechanics. Kluwer Academic Publishers, Dordrecht, 1993.
2 Zienkiewicz, O. C.; Taylor, R. L. The Finite Element Method – Vol. 1. McGraw-Hill International Editions, 4a ed., London, 1989.
3 Brauer, J. R. What Every Engineer Should Know About Finite Element Analysis. Marcel Dekker, Inc, 2a ed., New York, 1993.
4 Silva, G. M. Integração De Ferramentas CAE Para Controle De Sistemas Mecânicos Multicorpos
Flexíveis. TM, CTA/ITA, São José dos Campos, 1998.
5 Timoshenko, S.; Young, D. H.; Weaver JR., W. Vibration Problems In Engineering. John Wiley & Sons, Inc. 4a ed., 1974.
6 Milliken, W. F.; Milliken, D.F. Race Car Vehicle Dynamics. SAE International, 1995. 7 Crouse, W. H. Automotive Mechanics. McGraw-Hill, 3a ed., 1956.
8 Chollet, H. M. Cours Pratique Pour Mécaniciens D’Automobiles – Le Véhicule. Éditions Spes S.A., Lausanne.
9 Ansys® Tutorial. Ansys Inc., 2002. 10 DADS® Tutorial. Cadsi., 2001.
