Esse artigo apresenta um resumo de trabalho que fizemos sobre a investigação de falha de um parafuso prisioneiro responsável por fixar um motovibrador em um Silo de Grãos.
Figura 1 - Imagem da falha com os parafusos destacados.
As falhas que ocorreram nos parafusos se caracterizam por fadiga, como pode ser observado na imagem abaixo:
Figura 2 - Região da falha do parafuso (falha por fadiga).
Uma instalação similar a que apresentou falha é mostrada abaixo:
Figura 3 - Instalação similar com motoredutor instalado na tremonha de um silo.
A vida de fadiga do parafuso foi investigada, levando em consideração o ciclo de tensão atuante, tendo como parâmetro as tensões máximas e mínimas existentes nas regiões de concentração de tensão durante a operação do equipamento.
A maioria dos componentes mecânicos estão submetidos a carregamentos cíclicos que estão sujeitos a falha por fadiga. A definição de fadiga segundo a norma ASTM é a seguinte:
“Processo progressivo e localizado de modificações estruturais permanentes ocorridas em um material submetido a condições que produzam tensões e deformações cíclicas que pode culminar em trincas ou fratura após um certo número de ciclos.”
As curvas de fadiga dos componentes, são levantadas através de ensaios mecânicos considerando determinados materiais, amplitude e tipo de carregamento, correlacionando a tensão ou deformação com o número de ciclos até a falha ou iniciação de trinca do corpo de prova.
Figura 4 - Curva de fadiga S-N.
Para a análise em questão, as amplitudes de tensão foram obtidas a partir das análises de elementos finitos, para posterior cálculo da vida e coeficiente de segurança.
A geometria utilizada para a análise de elementos finitos é mostrada abaixo:
Figura 5 - Geometria utilizada na análise de elementos finitos.
As análises foram realizadas considerando as principais forças atuantes durante o ciclo de operação do motovibrador, sendo analisado vários ângulos de atuação da força de impacto, assim como vários torques aplicados nos parafusos. Essas condições são sumarizadas abaixo:
A pré carga é relativa ao torque aplicado nos parafusos. Foram analisadas 04 condições de torque, sendo elas de 0%, 25%, 50% e 100% do torque ideal para o parafuso original.
Figura 6 - Pré carga nos parafusos.
A força de impacto é relativa à força centrífuga gerada pela massa desbalanceadora do motovibrador, considerando um fator de amplificação dinâmica que é afetado pelo local de instalação. Essa força foi aplicada em 08 steps da análise, de acordo com as imagens abaixo:
Figura 7 - Forças de impacto em cada step da análise.
O peso foi considerado em todas as iterações, sendo aplicado na direção vertical, considerando a inclinação da tremonha do silo:
Figura 8 - Peso do motovibrador.
O torque foi considerado em todas as iterações.
Figura 9 - Torque do motovibrador.
Os resultados mostram que a condição em que não é aplicado torque ao parafuso (0% pré carga), existe uma maior amplitude de tensão contribuindo para um menor coeficiente de segurança de fadiga.
Figura 10 - Condição de 0% de pré carga – vista ISO com coeficiente de segurança menor que 01.
O torque no parafuso faz com haja melhor fixação do pé do motor, fazendo com que o deslocamento da base seja reduzido. Em uma condição sem torque, o deslocamento é maior fazendo com que o parafuso seja mais solicitado em um movimento de flexão.
As regiões das maiores tensões são condizentes com a falha encontrada no parafuso, sendo localizada no plano de cisalhamento entre a chapa e pé do motor.
Figura 11 - Região da falha do parafuso.
De acordo com os resultados obtidos na análise de elementos finitos, existem 02 principais fatores que contribuíram para a falha:
As seguintes modificações foram propostas para a resolução do problema:
Figura 12 - Vista isométrica da base.
Os resultados de fadiga da nova proposta atendem os requisitos de segurança, não havendo falha por fadiga, podendo ser utilizado para a fixação do motovibrador.
Figura 13 - Vista ISO do local onde o coeficiente de segurança é menor que 1.
Baseado nos resultados obtidos nas análises, é proposto um torque para aplicação no parafuso adotado.
Neste artigo vamos explorar diferentes metodologias para simular uniões parafusadas utilizando o Ansys Workbench, com o intuito de verificar e comparar as tensões atuantes em cada uma das situações analisadas.
A união parafusada consiste em duas chapas de 10mm de espessura, com 02 parafusos sextavados M10 x 35mm, conforme imagem abaixo:
Figura 1 - União parafusada analisada.
Os materiais considerados na análise são detalhados abaixo:
As seguintes condições foram analisadas:
Modelo 01:
Figura 2 - Chapas em superfície + parafusos em "beam".
Modelo 02:
Figura 3 - Chapas em sólido + parafusos em "beam".
Modelo 03:
Figura 4 - Chapas em sólido + Parafusos em "beam" + sólido
Figura 5 - Detalhe dos Parafusos.
Modelo 04:
Figura 6 - Chapas em sólido + Parafusos sólido
Figura 7 - Detalhe dos Parafusos
A análise de elementos finitos foi realizada considerando 02 steps, sendo o primeiro relativo a aplicação da pré carga (torque) e o segundo relacionado as forças externas.
A força de pré carga, de acordo com Shigley, é calculada por:
Onde:
Considerando um parafuso classe 10.9 as propriedades do material do parafuso e porca são mostrados abaixo:
As características geométricas do parafuso M10 são:
Onde a carga de prova por ser calculada por:
Onde:
O diâmetro do parafuso considerado na análise, deve ser relativo a área de tração, já mostrado acima, portanto:
Considerando uma união reutilizável, a força de pré carga para a união analisada é calculada abaixo:
Note que o valor de pré carga calculado acima, faz referência ao valor correto e teórico de uma força ideal para ser aplicada no parafuso. Entretanto, na prática existe uma grande variação da aplicação da pré carga, e, portanto, foram considerados 03 valores de pré carga na análise de elementos finitos, fazendo analogia com algum tipo de relaxamento ou precisão na aplicação do torque no parafuso:
A força de pré carga foi aplicada nos modelos utilizando a ferramenta “Bolt Pretension”, sendo que no Step 01 foi definida de acordo com o calculado para cada análise, e no Step 02, foi ativado a opção “Lock”, que trava a aplicação da força de pré carga definida no primeiro step, não existindo relaxamento ou variação dessa pré carga.
Figura 8 - Bolt pretension aplicado no modelo 01
Figura 9 - Definição do bolt pretension nos "steps" da análise
Em todos os modelos, foi considerado o contato frictional com coeficiente de atrito de 0,15 entre as chapas, de acordo com as imagens abaixo:
Figura 10 - Contato frictional do modelo 01
Figura 11 - Contato frictional para os modelos com chapas em sólido (2,3 e 4).
Os contatos dos parafusos são detalhados abaixo:
Modelo 01:
Figura 12 - Contato bonded entre o beam e a superfície relativo a cabeça do parafuso e porca (modelo 01).
Modelo 02:
Figura 13 - Contato bonded entre o beam e a superfície relativo a cabeça do parafuso e porca (modelo 02).
Modelo 03:
Figura 14 - Contato bonded entre o beam e a cabeça do parafuso e porca modelados em sólido (modelo 03).
Figura 15 - Contato frictional com coeficiente de atrito de 0,15 entre a cabeça de parafuso / porca com as chapas.
Modelo 04:
Figura 16 - Contato frictional com coeficiente de atrito de 0,15 entre a cabeça do parafuso / porca com as chapas.
Figura 17 - Contato frictionless entre o corpo do parafuso e furo das chapas.
As imagens mostradas abaixo referem se a condição de 100% de pré carga dos 04 modelos, sendo que os demais resultados referentes as outras condições são mostrados na tabela de resumo.
Modelo 01:
Figura 18 - Deslocamento resultante na condição 100% de pré carga (step 02).
Figura 19 - Tensão da pré carga dos parafusos na condição 100% de pré carga (step 01).
Figura 20 - Tensão combinada dos parafusos na condição 100% de pré carga (step 02).
Modelo 02:
Figura 21 - Deslocamento resultante na condição 100% de pré carga (step 02).
Figura 22 - Tensão da pré carga dos parafusos na condição 100% de pré carga (step 01).
Figura 23 - Tensão combinada dos parafusos na condição 100% de pré carga (step 02).
Modelo 03:
Figura 24 - Deslocamento resultante na condição 100% de pré carga (step 02).
Figura 25 - Tensão da pré carga dos parafusos na condição 100% de pré carga (step 01).
Figura 26 - Tensão combinada dos parafusos na condição 100% de pré carga (step 02).
Modelo 04:
Figura 27 - Deslocamento resultante na condição 100% de pré carga (step 02).
Figura 28 - Tensão da pré carga dos parafusos na condição 100% de pré carga (step 01).
Figura 29 - Tensão de Von Mises dos parafusos na condição 100% de pré carga (step 02).
O resumo dos resultados de tensão, são apresentados abaixo:
* As tensões no step 01 são relativas a pré carga (tensão normal), e as tensões no step 02 são nos elementos beam tensões combinadas (normal + flexão) e nos elementos sólidos tensões de Von Mises.
As tensões de pré carga no step 01 são semelhantes em todos os modelos analisados.
O modelo 01 e 02 apresentam maiores tensões no step 02 quando comparados aos outros modelos. Esses resultados podem ser explicados pelo contato “bonded” entre o parafuso e aresta das chapas, fazendo com que o momento fletor atuante no parafuso seja muito alto, muitas vezes não sendo condizente com a realidade.
Já no modelo 03 e 04, o contato frictional entre a cabeça do parafuso / porca com as chapas faz com que esse momento seja reduzido, gerando resultados mais condizentes com aplicações práticas.
Alguns comentários para cada modelo são propostos abaixo:
Como pode ser observado neste artigo, existem muitas formas de se representar uniões parafusadas, sendo algumas mais e menos precisas.
De qualquer maneira, é importante levar em consideração o objetivo da análise e escolher o melhor modelo pensando no “tempo de análise vs precisão das tensões” de uma maneira que a resolução do problema seja efetiva.
