Neste artigo vamos falar um pouco sobre o fenômeno da ressonância e exemplificar a prática com um caso ocorreu em um ventilador industrial encontrado no dia a dia pela equipe técnica da Ensus.
Figura 1 - ventilador centrífugo.
Ressonância é um fenômeno que ocorre com a coincidência entre a frequência de operação e frequência natural, onde as amplitudes de vibração são amplificadas fazendo com que as solicitações estruturais aumentem de forma drástica, levando muitas vezes a falha total do equipamento.
A Frequência Natural pode ser definida por:
Onde:
Para conhecer um pouco mais sobre os conceitos básicos de frequência natural assista ao vídeo aqui
Podemos afirmar que se algum equipamento operar próximo à sua frequência natural, as amplitudes de vibração vão ser amplificadas e sua durabilidade prejudicada*.
*Alguns equipamentos são projetados para operar muito próximo da sua frequência natural, ex. mesa vibratória.
Abaixo será demonstrado um caso de ressonância em um ventilador industrial encontrado pela equipe técnica da Ensus.
Figura 2 - equipamento analisado ventilador centrífugo.
A principal queixa do cliente era de vibração excessiva no mancal LOA, apresentando alertas constantemente pelo monitoramento preditivo interno.
Este equipamento é composto por um motor elétrico, 02 mancais e 01 rotor, além de uma base civil e um Skid metálico de acordo com o esquema abaixo:
Figura 3 - esquema do equipamento.
As características básicas de operação do equipamento são mostradas abaixo:
Para a investigação detalhada da vibração do equipamento, foi realizado um ODS no conjunto para identificar a causa raiz do problema.
A análise de ODS consiste na visualização do movimento da máquina, através da medição de vibração de diversos pontos na estrutura. O resultado desse trabalho é um vídeo mostrando a vibração de maneira amplificada do conjunto.
Caso tenha interesse em entender mais a fundo sobre essa técnica, acesse nosso artigo onde detalhamos passo a passo para a realização de um ODS. https://ensus.com.br/operating-deflection-shape/
As principais etapas para a realização de um ODS são mostradas abaixo:
O modelo 3D foi levantado em campo, considerando os mancais, motor, skid metálica, base civil e carcaça do rotor de acordo com a imagem abaixo:
Figura 4 - modelo 3D levantado em campo.
Os pontos de medição selecionados, são mostrados abaixo:
Figura 5 - detalhamento dos pontos de medição.
A análise espectral foi realizada em diversos pontos do equipamento considerando a direção vertical, horizontal e axial. A tabela abaixo mostra o resumo das frequências correspondentes as maiores amplitudes encontradas:
Figura 6 - análise espectral.
Figura 7 - espectro mancal LOA - vertical.
Gerando os vídeos de ODS em 59,6Hz, temos:
Figura 8 - vídeo de ODS.
Pela análise de espectro é possível observar que as maiores amplitudes ocorrem na frequência de operação;
Os espectros apresentam uma grande quantidade de harmônicos, podendo ser uma característica de folgas e/ou baixa rigidez na estrutura;
Pelos vídeos de ODS observa-se um movimento de torção do mancal LA para o Motor, sendo uma característica de baixa rigidez da estrutura ou até mesmo ressonância;
Dando sequência na investigação partiu-se para um bump-test, onde foi aplicado um impacto em pontos da estrutura com intuído de obter as frequências naturais do equipamento.
Obs. Para o bump-test o equipamento precisa estar “parado” no momento dos impactos, deste modo este ensaio só é possível para equipamentos que possam ter seu funcionamento interrompido por alguns instantes.
Os resultados do bump-test são mostrados abaixo:
Figura 9 - sinal no tempo do impacto.
Figura 10 - FFT do impacto realizado.
Como pode ser observado o equipamento possui uma frequência natural de 57hz que coincide com a faixa de frequência de operação.
Deste modo podemos concluir que o equipamento está operando em RESSONÂNCIA. Pela análise de ODS foi identificado o modo de torção sendo característicos de modos de frequência natural, em seguida foi realizado um bump-test onde foi constatado a existência de uma frequência natural muito próxima a frequência de operação, fazendo com que as amplitudes de vibração aumentassem drasticamente.
Como pode ser observado no espectro, as amplitude chegam a 25mm/s, que quando comparado com a norma ISO 10816-3, se enquadra em um nível crítico sendo recomendada parada imediata do equipamento .
Como recomendações para a solução do problema deve-se alterar as frequências naturais da estrutura para longe da faixa de operação(60hz). Por experiência do time técnico da Ensus em situações já enfrentadas sobre ressonância a recomendação ideal é de que as frequências naturais estejam 20% acima da frequência de operação, neste caso acima de 72hz.
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Nesse artigo vamos explicar as diferenças entre tensão de engenharia e tensão real. Uma maneira simples de entender a diferença entre tensão de engenharia e tensão real é analisarmos um corpo de prova em um ensaio de tração:
Figura 1 - Ensaio de tração.
A tensão de engenharia considera a dimensão original do corpo de prova para o cálculo da deformação atuante, ou seja, se o corpo de prova tiver uma área inicial da seção transversal igual a 100mm², o cálculo da tensão será feito considerando as forças aplicadas no teste dividido por essa mesma área, ou seja:
A tensão real considera a dimensão real do corpo de prova, ou seja, voltando para o exemplo do ensaio de tração é fácil imaginar que a medida que a força for aumentando, seu comprimento começa a aumentar, enquanto a área da seção transversal começa a diminuir (veja imagem abaixo), dessa maneira a tensão real é calculada pela força aplicada dividida pela área real da seção transversal do corpo de prova.
Figura 2 - Corpo de prova antes e depois do ensaio de tração.
Conseguiu entender o conceito?
De maneira muito similar ao conceito explicado acima, devemos entender também a diferença entre deformação de engenharia e deformação real.
Utilizando o mesmo exemplo anterior, podemos definir a deformação de engenharia tendo como referência o comprimento inicial do corpo antes de qualquer esforço, ou seja, para todos os cálculos de deformação será considerado o comprimento inicial (l0). Dessa maneira a deformação de engenharia é calculada considerando o comprimento instantâneo devido ao alongamento durante o teste (l), subtraído pelo comprimento inicial (l0) e então dividido novamente pelo comprimento inicial (l0), como mostra a equação abaixo:
A deformação real considera uma medida de deformação incremental, ou seja, ao invés de considerar o comprimento inicial para o cálculo da deformação, neste caso é considerado a diferença de deformação instantânea considerando um instante de maior solicitação comparando com um instante anterior, podemos descrever esse comportamento utilizando a equação abaixo:
Para o cálculo da deformação real as seguintes considerações são realizadas:
Correlacionando a deformação de engenharia com a deformação real, temos:
Substituindo (1) em (2), temos:
Vamos para um exemplo prático de ensaio de tração de um corpo de prova padrão de aço carbono com raio e comprimento inicial de 5mm e 25mm respectivamente, (r0=5mm e L0=25mm), onde os valores de força vs deslocamento são mostrados abaixo:
Figura 3 - Gráfico Força vs Deslocamento de um ensaio.
Utilizando as equações mostradas anteriormente e calculando a tensão e deformação de engenharia com base nos resultados de força e deslocamento mostrados no gráfico anterior, a tensão vs deformação de engenharia é mostrada abaixo:
Figura 4 - Gráfico Força vs Deformação de engenharia.
De maneira análoga, utilizando as equações mostradas anteriormente, a tensão e deformação real são mostradas abaixo:
Figura 5 - Gráfico Tensão vs Deformação real.
Para efeito de comparação, os resultados mostrados acima são plotados no mesmo gráfico:
Figura 6 - Gráfico Tensão vs Deformação - comparativo
Algumas observações importantes sobre o gráfico são destacadas abaixo:
Ficou claro a diferença entre tensão/deformação de engenharia e real? Se tiver alguma dúvida, deixe seu comentário que responderemos com prazer!
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A NBR 6123 é a norma brasileira que define parâmetros de cálculo para o projeto de equipamentos e estrutura que estão sujeitos as forças do vento.
Uma das partes mais importantes na fase de projeto de qualquer equipamento é a consideração das cargas. A aplicação de cargas que não condizem com a realidade gera perdas muito grandes, sejam elas de dinheiro (pelo superdimensionamento) ou devido a falha do equipamento (devido a cargas não previstas em projeto), além disso o mal dimensionamento traz riscos diretamente na vida das pessoas que trabalham em regiões próximas ao equipamento.
Dessa maneira, é de extrema importância analisar se o equipamento está em local aberto sendo submetido as forças devido ao vento. Se você está se deparando com alguma necessidade desse tipo, esse artigo vai sanar suas dúvidas sobre as considerações da NBR 6123.
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Através da NBR 6123 conseguimos encontrar parâmetros e coeficientes indispensáveis para os cálculos da força em estruturas e edificações devido as ações estáticas e dinâmicas do vento.
A norma contém geometrias pré determinadas para a definição dos parâmetros para o cálculo do vento, como por exemplo geometrias retangulares, circulares, vigas e algumas outras. Caso exista a necessidade da aplicação da força do vento em edificações que contenham geometrias distintas das existentes na norma, é necessário realizar um estudo para determinar quais devem ser essas forças. Portanto este artigo tratará apenas das condições estabelecidas pela norma.
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Os três primeiros capítulos como toda norma, trazem as principais informações sobre ela, tais como:
O procedimento de cálculo é tratado na norma a partir do capítulo 4, sendo as principais características destacadas ao decorrer deste artigo.
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A força do vento em estruturas deve ser calculada separadamente para as seguintes partes:
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Essa divisão adotada é importante pois partes da estrutura podem apresentar resultados mais críticos quando aplicada a força do vento.
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Posteriormente é necessário determinar as cargas estáticas devido a ação do vento, são elas:
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Figura 1 - Velocidade básica do vento nas diferentes regiões do Brasil.
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Os fatores S1, S2 e S3 são encontrados também na norma, eles são definidos como:
S1 – Fator topográfico, leva em consideração o relevo do local onde a estrutura ou edificação está instalada;
S2 – Fator de rugosidade do terreno, depende do tipo de local em que a edificação está instalada (próximo a oceanos, áreas abertas, zonas industriais etc.);
S3 – Fator estatístico, esse é aplicado baseado em conceitos estatísticos, considera o grau de segurança e a vida útil da edificação.
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Devido ao fato da força do vento depender principalmente da diferença de pressão entre faces opostas, é necessário dividir a edificação em duas partes:
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A variação de pressão é obtida através do cálculo abaixo:
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Para o caso do vento incidindo perpendicularmente a um elemento plano da estrutura de área qualquer é possível calcular a força exercida por ele da seguinte maneira:
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Os coeficientes de pressão e forma são obtidos também através da própria norma, eles dependem principalmente do tipo, formato e altura da edificação. O capítulo 6 da NBR 6123 trata exclusivamente da determinação dos coeficientes, além disso as tabelas 4 e 9 apresentam os coeficientes de pressão e forma externos para as edificações retangulares e circulares, como mostram as imagens abaixo:
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Figura 2 - Tabela com coeficientes de pressão e forma para edificações retangulares.
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Figura 3 - Distribuição da pressão do vento no corpo de formato retangular.
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Figura 4 - Coeficiente de pressão externo para edificações circulares.
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Figura 5 - Ângulo de incidência do vento em corpos circulares.
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Além dos coeficientes de pressão no corpo, as tabelas de 5 a 8 da NBR 6123 apresentam os coeficientes de pressão para os diferentes tipos de telhado existentes em corpos retangulares, os tipos de telhados mostrados na norma podem ser vistos nas imagens abaixo:
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Figura 6 - Telhado com duas águas e simétrico.
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Figura 7 - Telhado com uma água.
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Figura 8 - Telhado múltiplo e simétrico.
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Figura 9 - Telhado múltiplo e assimétrico.
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A NBR 6123 não define parâmetros para o cálculo de tetos com formatos cônicos, muito vistos em edificações de formatos circulares, para estes casos, como já citado anteriormente, é necessário realizar um estudo sobre a maneira como o vento se comporta em corpos desse tipo.
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Barras prismáticas ou reticulados são termos adotados pela NBR 6123 para referir-se a vigas utilizadas nas edificações. A força exercida pelo vento nas barras prismáticas é obtida através do coeficiente de arrasto, como mostra a equação abaixo:
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A área frontal efetiva trata-se da área em que o vento realmente incide, por exemplo, uma viga pode apresentar diferentes áreas frontais efetivas dependendo do ângulo de incidência do vento.
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Veja no exemplo abaixo onde é mostrada a direção de incidência do vento.
Figura 10 - Representação de uma estrutura de sustentação qualquer.
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Perceba que a mesma viga apresenta diferentes áreas efetivas de acordo com a direção da linha de ação do vento.
Figura 11 - Área frontal efetiva (em vermelho) para as vigas de mesma dimensão e sob diferentes ângulos de ação do vento.
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Já o coeficiente de arrasto pode ser obtido através da figura 6, presente no capítulo 7 da NBR 6123.
Figura 12 - Coeficiente de arrasto utilizado para vigas com cantos vivos ou levemente arredondados.
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Note que existe um fator Ø necessário para obter o coeficiente de arrasto. A NBR 6123 chama esse coeficiente de índice de área exposta e ele pode ser obtido da seguinte maneira:
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A área frontal da superfície limitada pelo contorno das vigas pode ser definida como a área de uma superfície imaginária definida a partir dos limites das vigas que compõe a estrutura, para facilitar observe a imagem abaixo:
Figura 13 - Área frontal efetiva da superfície limitada pelo contorno das vigas (em vermelho).
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Percebe-se que é possível obter essa área apenas multiplicando as dimensões já conhecidas, ou seja, a distância entre as vigas mais externas e a altura das vigas.
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Depois disso basta executar o cálculo de Ø e encontrar na figura 6 da norma o coeficiente de arrasto para a viga analisada.
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Existem diversas outras figuras na norma que determinam os coeficientes de arrasto para determinado tipo de perfil, por exemplo:
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Então caso já exista o perfil desejado na NBR 6123 coeficientes tabelados, basta retirá-los das figuras do capítulo 7, caso o perfil encontrado seja diferente dos especificados pela norma, é necessário consultar as diretrizes do capítulo 7 e anexos para calculá-lo.
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O capítulo 8 da NBR 6123 trata dos coeficientes de força para muros, placas e coberturas isoladas, já o capítulo 9 trata dos efeitos dinâmicos devido a turbulência atmosférica. Para os fins desse artigo estes capítulos não serão analisados, visto que posteriormente os conhecimentos aqui descritos serão utilizados para novos artigos, utilizando como exemplo de análise pela norma um silo de armazenamento de grãos.
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Este artigo teve a intenção de apresentar os conceitos básicos para o cálculo da força devido ao vento e organizá-lo de maneira mais prática, dividindo em etapas e mostrando as considerações necessárias para executar o cálculo. O principal foco é facilitar o entendimento daqueles que estão interessados no assunto, no entanto para obter informações mais detalhadas é sempre recomendado a leitura da própria norma.
Além disso as informações contidas nesse artigo servirão de base para outros artigos do blog da Ensus em que a força devido ao vento é uma componente importante.
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Fizemos um artigo no passado, explicando a importância de se aplicar o torque correto em parafuso.
Apresentamos o conceito da força de pré carga que é gerada pela aplicação do torque, sendo essa força a mais importante para ser controlada em uma união parafusada.
Alguns métodos utilizados para “controlar” a força de pré carga são detalhados abaixo:
Os métodos mais precisos para a verificação da força de pré carga são os dois últimos da tabela acima (Alongamento e Extensômetro).
Neste artigo vamos apresentar o passo a passo para instalar o extensômetro em parafusos, para que no final seja possível ter um parafuso sensorizado pronto para o uso em alguma aplicação especifica onde seja necessário medir a força de pré carga.
Ao final de todas as etapas ele ficará como mostra a imagem abaixo:
Figura 1 - Parafuso sensorizado pronto para uso.
O extensômetro é instalado em um furo realizado no centro do parafuso, de acordo com a imagem abaixo:
Figura 2 - Extensômetro instalado dentro do furo do parafuso.
O passo a passo para a instalação do extensômetro no parafuso é o seguinte:
Figura 3 - Extensômetro sendo inserido no furo .
Figura 4 - Conexão com o fio externo.
Figura 5 - Parafuso sumetido a ensaio de tração para calibração do sensor.
Figura 6 - Setup para medição do parafuso sensorizado.
Figura 7 - Torque sendo aplicado no parafuso sensorizado.
A resposta de deformação do sensor durante a aplicação do torque pode ser visualizada abaixo:
Figura 8 - Gráfico de Deformação x Tempo.
Multiplicando a deformação pelo coeficiente de calibração, é possível obter a resposta da força de pré carga aplicada, conforme é mostrado abaixo:
Figura 9 - Gráfico de Força de Pré Carga x Tempo.
Em qualquer projeto que haja parafusos, o torque é calculado a partir da força de pré carga necessária para garantir que a união não se separe e que não haja flutuações de tensão no parafuso (já falamos sobre isso em nosso artigo).
No final das contas, o torque é uma maneira mais fácil, rápida e barata de se controlar, entretanto pode não ser preciso o suficiente.
Agora, faremos o inverso, vamos aplicar 30N.m no parafuso sensorizado e calcular a força de pré carga teórica para posteriormente compará-la com o valor obtido pelo sensor.
Figura 10 - Torque sendo aplicado no parafuso.
Para o experimento, utilizamos um torquímetro de vareta, que não é nada preciso devido principalmente a sua dificuldade de medição.
Figura 11 - Marcação de 30N.m no torquímetro.
A força de pré carga teórica pode ser calculada pela equação abaixo:
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O coeficiente de torque depende da maciez da superfície, acurácia e grau de lubrificação, em outras palavras, é um coeficiente que mede todos os atritos envolvidos durante o aperto do parafuso.
A grande variação das amplitudes de pré carga, se dá por conta dos valores que podem ser utilizados para este coeficiente. Já é fácil imaginar que esse fator pode variar drasticamente se a rosca de um parafuso estiver limpa ou suja, lubrificada ou enferrujada, e assim por diante.
Geralmente, o valor do coeficiente de torque nominal é adotado entre 0,15 a 0,3. Para este experimento adotaremos 0,2.
Fazendo esse cálculo para o parafuso em questão, temos:
De acordo com o gráfico de pré carga do parafuso sensorizado, o valor da pré carga relativo aos 30N.m é obtido no patamar mostrado abaixo:
Figura 12 - Força de pré carga do parafuso sensorizado.
O valor de pré carga é de 7.140,0N.
Fazendo o comparativo entre os valores de pré carga obtidos pelo torquímetro de vareta e o parafuso sensorizado, temos:
A variação é maior que 100%!!
A interpretação desses valores deve ser feita da seguinte forma:
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Conseguiu entender na prática? Se ficou alguma dúvida, deixe seu comentário...
Não é à toa que empresas automobilísticas, aeronáuticas entre outras que precisam garantir um torque correto em componentes gastem milhões para controlar esse parâmetro.
A Ensus é especializada na fabricação de parafusos sensorizados, podendo oferecer o serviço de instalação, calibração e medição de parafusos de acordo com a especificação do cliente.
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Contate-nos através do e-mail atendimento@ensus.com.br para saber mais sobre esses serviços.
Confira também nosso canal no YouTube para ver um pouco mais como trabalhamos.
O Fatigue Tool é uma ferramenta do Ansys Workbench que permite fazer o cálculo de fadiga dos modelos analisados. Através dele é possível determinar:
A fadiga é a principal responsável pela falha de equipamentos e componentes mecânicos, e é de conhecimento de todos que os cálculos para verificação de fadiga levam um certo tempo e trabalho para serem feitos.
Uma maneira rápida e prática de se realizar os cálculos de fadiga é através do Fatigue Tool do Ansys Workbench, onde é possível utilizar os resultados de tensão da análise de elementos finitos para calcular a vida de fadiga de um componente.
Este artigo possui o intuito de mostrar exclusivamente um pouco mais sobre a ferramenta Fatigue Tool. Se você possui interesse em aprender um pouco mais sobre fadiga recomendamos a playlist de fadiga do nosso canal no Youtube e os demais artigos referentes a esse tema:
Para mostrar essa ferramenta utilizamos o pedal de freio da equipe EESC USP Fórmula SAE. O modelo do pedal em CAD é mostrado abaixo:
Figura 1 - Montagem do pedal (modelo original)
Como pode ser visto na imagem o modelo é fixado pela parte inferior do pedal, além disso o pedal conta com dois cilindros fixados na haste responsável por acionar o sistema hidráulico, como mostra a imagem abaixo:
Figura 2 - Vista em corte do cilindro mestre com a presença do pedal.
Considerando que o objetivo principal da análise é realizar o cálculo de fadiga do pedal do freio, não foi necessário levar o conjunto completo do sistema.
Figura 3 - Modelo utilizado na análise de elementos finitos.
O material aplicado ao modelo pode ser visto na imagem abaixo:
Figura 4 - Material aplicado ao modelo.
As propriedades mecânicas do material são detalhadas na tabela abaixo:
Tratando-se de uma análise de fadiga, é necessário realizar a configuração adequada entrando com o número de ciclos e tensão alternada, como mostra a imagem abaixo:
Figura 5 - Dados da curva de fadiga e curva de fadiga construída pelo Ansys (escala logarítimica), respectivamente.
Os pontos mostrados acima, foram calculados de acordo com a equação da curva S-N e dados de fadiga do material encontrados no eFatigue:
Figura 6 - Curva de fadiga S-N (Fonte: eFatigue).
A configuração da curva de fadiga deve ser feita acessando o “Engineering Data” da análise em questão, e selecionando a opção “S-N curve”.
Figura 7 - Detalhe do Engineering Data.
Figura 8 - Forma de inserir a curva S-N.
Os contatos do modelo podem ser vistos na imagem abaixo:
Figura 9 - Contato entre o pedal e a chapa onde o piloto pisa.
A malha do modelo é mostrada abaixo:
Figura 10 - Vista isométrica da malha do modelo.
Figura 11 - Vista lateral e frontal da malha, respectivamente.
Foram aplicadas 02 restrições no modelo, sendo a primeira referente a rotula inferior e outra relativa ao cilindro mestre.
Figura 12 - Detalhe da restrição Remote Dispacement aplicada ao modelo.
A máxima tensão desse pedal ocorre o momento em que o cilindro atinge o fim de curso, pois a partir desse momento não existe mais liberdade para ele se movimentar e acontece um efeito de alavanca no pedal.
Figura 13 - Condição de restrição representando a compressão total do cilindro (fixo em Y).
A força aplicada ao pedal foi de 2kN.
Figura 14 - Força de cálculo aplicada ao modelo.
Os resultados obtidos na análise estática são os seguintes:
Figura 15 - Vista isométrica do deslocamento do modelo e vista lateral do modelo ampliada, respectivamente.
Figura 16 - Vista geral das tensões de von-Mises do modelo - vista isométrica e lateral, respectivamente.
A máxima tensão no modelo ocorre no raio inferior de alívio, como pode ser observado na imagem abaixo:
Figura 17 - Detalhe da máxima tensão de von-Mises.
Uma das principais dificuldades da análise de fadiga, é entender se a tensão máxima é realmente coerente e pode ser considerada para o cálculo.
Quando se realiza uma análise para prevenir o colapso plástico é normal que as tensões máximas sejam desprezadas e que seja considerado uma tensão distante do ponto máximo, levando em consideração o fato de que um ponto de tensão muito localizada mesmo que ultrapassar o limite de escoamento vai se redistribuir e não ocasionará uma falha por colapso plástico.
Entretanto para a falha por fadiga justamente esses pontos localizados de tensão é que são os grandes causadores da iniciação e propagação da trinca.
Por este motivo, nesta região foi realizado uma análise de convergência para verificar se a tensão de ~440MPa é real e pode ser considerada para o cálculo de fadiga.
O processo de convergência pode ser realizado automaticamente pelo Ansys, clicando com o botão direito em cima do resultado de tensão e selecionando a opção “Convergence”, conforme é mostrado abaixo:
Figura 18 - Forma de inserir o comando Convergence.
Quando essa opção é ativada, o Ansys resolve a análise de maneira iterativa e compara os resultados das tensões obtidas. A cada iteração a malha é refinada para verificar se existe um aumento de tensão dentro uma % pré determinada.
A porcentagem de mudança permitida pode ser definida pelo usuário no local destacado abaixo:
Figura 19 - Verificação da convergencia.
Ao final do processo iterativo é possível verificar a malha final do modelo:
Figura 20 - Detalha da região de máxima tensão com malha refinada.
As tensões da análise estática podem ser comparadas com o limite de escoamento para identificar o coeficiente de segurança do projeto.
Como pode ser observado a tensão atuante é bem próxima ao limite de escoamento gerando um coeficiente de segurança de 14%.
O primeiro passo é inserir o Fatigue Tool da mesma maneira que são inseridos os resultados da análise, como mostrado abaixo:
Figura 21 - Local onde deve ser inserido o Fatigue Tool.
Posteriormente, é necessário definir alguns parâmetros:
Figura 22 - Detalhes do Fatigue Tool.
Os parâmetros definidos para essa análise foram:
Para a análise de fadiga desse modelo foram inseridos os resultados do número de ciclos e coeficiente de segurança, como pode ser visto nas imagens abaixo:
Figura 27 - Vista de fadiga do componente, vista isométrica e detalhe da região de menor vida, respectivamente.
Figura 28 - Vista dos coeficiente se segurança do pedal e vista iso das regiões com CS menores que 1, respectivamante.
A tensão máxima obtida no pedal do freio é alta e gerou uma vida de fadiga muito baixa ~25 pisadas no freio com a força de 2KN.
O método utilizado para o cálculo de fadiga foi o S-N que é apropriado para fadiga de alto ciclo (acima de 10.000 ciclos), e, portanto, não é válido para os resultados obtidos. Entretanto, considerando que o intuito seja projetar um componente para fadiga de alto ciclo é válido que esse método seja utilizado para verificar se o design está apropriado ou não.
Portanto, neste caso é necessário realizar modificações na geometria e rodar novamente a análise para obter novos resultados.
Como pode ser observado é rápido e prático utilizar a ferramenta Fatigue Tool para o cálculo de fadiga, no entanto, como em qualquer análise, deve-se sempre tomar cuidado com os parâmetros de input e análise dos resultados.
Algo que também é um ponto positivo, sem dúvidas é o fato do Mechanical apresentar uma parte gráfica que permite observar os resultados através da escala de cores, isso ajuda a perceber os pontos de menor coeficiente de segurança e trabalhar de maneira rápida para corrigir o necessário, modificando o design e rodando iterações.
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A necessidade de medir torque em equipamentos pode ser dos mais variados, podendo estar relacionado com investigação de falha, determinação da potência mecânica ou até de maneira preventiva.
Para ilustrar o procedimento de medição de torque em eixos vamos utilizar um tubo em que será possível fazer a instalação dos sensores como também a validação dos resultados dos testes através da análise de elementos finitos.
Figura 1 - Teste experimental de torque e análise de elementos finitos, respectivamente.
Neste teste, os extensômetros foram posicionados no meio do tubo e uma força pré determinada foi aplicada na haste para produzir um torque conhecido.
Figura 2 - Setup para teste de torque.
O sensor utilizado para a medição do torque é o extensômetro (ou strain gauge) que mede a deformação superficial do material quando submetido a carregamentos externos. Se quiser aprender mais sobre os extensômetros, acesse nosso artigo: Extensômetria (Strain Gauge) - O que é? Quando utilizar?
Para esta aplicação é necessário utilizar a configuração de ponte completa, onde são instalados 4 extensômetros para a obtenção de um resultado de torque.
Os extensômetros utilizados são do tipo espinha de peixe, em que a grade do sensor é disposta a 45° da linha horizontal, conforme imagem abaixo:
Figura 3 - Extensômetro do tipo "espinha de peixe".
Essa disposição é por conta da direção da deformação principal de um elemento submetido puramente a torção ser de exatamente 45° em relação ao eixo longitudinal, conforme imagem abaixo:
Figura 4 - Direção das máximas deformações principais.
Foram posicionados 02 extensômetros do tipo “espinha de peixe” defasados 180° um em relação ao outro, conforme é mostrado na imagem abaixo:
Figura 5 - Vista isométrica do tubo com referências das vistas.
Figura 6 - Detalhe com posicionamento dos extensômetros.
Figura 7 - Detalhe com posicionamento dos extensômetros.
Figura 8 - Psicionamento longitudinal do extensômetro.
Figura 9 - Psicionamento radial dos extensômetros (180°).
Figura 10 - Psicionamento dos extensômetros (top e bottom).
Após o posicionamento dos sensores, toda a ligação e cabeamento foi realizada:
Figura 11 - Cabeamento e conector.
Para coleta de dados foram utilizados equipamentos National Instruments, sendo o chassi cDAQ-9191 e Módulo de aquisição NI 9237.
Figura 12 - Chassis cDAQ-9191 e módulo NI-9237.
O cabo RJ50 foi conectado ao módulo NI-9237, como mostra a imagem abaixo:
Figura 13- Conexão entre o cabo RJ50 e módulo NI-9237.
O resultado do teste é apresentado abaixo:
Figura 14 - Gráfico de Deformação x Tempo.
Levando em consideração que o tubo apresenta deformações dentro da zona elástica e aplicando a Lei de Hooke para transformar deformação em tensão, considerando o módulo de elasticidade como 200GPa, temos:
Figura 15 - Gráfico de Tensão x Tempo.
Considerando a mesma carga e condição de restrição, os resultados da análise de elementos finitos são apresentados abaixo:
Figura 16 - Condições de restrição para análise de elementos finitos.
Figura 17 - Vista ISO com o resultado da tensão de cisalhamento.
A comparação entre o teste experimental e a análise de elementos finitas é apresentada na tabela abaixo:
O interessante desse tipo de instalação é que o resultado obtido é referente apenas a torção no tubo, e as deformações relativas a outras solicitações (ex. flexão, tração ou compressão) não são medidas pela maneira que os extensômetros estão dispostos no componente. Isso se torna muito interessante para aplicações onde é necessário medir apenas o torque de um eixo ou algum componente que esteja submetido a torção.
Ficou alguma dúvida sobre esse tipo de instalação ou tem alguma aplicação em que seja interessante esse tipo de medição? Compartilhe conosco e deixe seu comentário abaixo.
