Simulações estáticas | Solidworks Deixe um comentário

Dentro da Ecocar Unicamp, utilizamos muito o Solidworks para realizar diversas simulações mecânicas para desenvolver nosso projeto de engenharia. As simulações estáticas, ou simulações estruturais, é uma das ferramentas mais utilizadas, uma vez que abarca todos os departamentos, pois é ela que nos fornece a reação de uma determinada peça submetida a diversas forças e torques.

Utilizando o Método dos Elementos Finitos (Finite Element Analysis), o software nos mostra quais as zonas de maiores tensões e maiores deslocamentos em uma situação de carga estática, ou seja, uma carga que não varia com o tempo. Este resultado é mostrado através de gráficos visuais no próprio CAD 3D da peça, conforme as figuras abaixo. É a partir dessa análise das figuras que podemos alterar a geometria de uma peça ou do próprio chassi do nosso carro, para minimizar pontos com o potencial de serem problemáticos nas condições que impomos.

Resultado da análise estática de uma engrenagem usinada. Parâmetro: fator de segurança (FOS)
Resultado da análise estática de uma engrenagem usinada. Parâmetro: fator de segurança (FOS)

Simulações estáticas: Conceitos

Tensões são a base de qualquer análise estrutural de uma peça. De modo geral, a tensão que um corpo sente representa a carga que ele sofre, mas diferente de uma força simples, ele independe da massa, do volume, ou da forma da peça. Isso é porque tensão é força por unidade de área, então um bloco de aço de 1 m³ terá a mesma reação a uma tensão de 250 MPa do que um bloco de aço de 1cm³, enquanto que aplicar uma tonelada de força em ambos trará resultados bem diferentes.

Outra variável muito relevante dentro de uma simulação estática é o fator de segurança, que consiste na razão entre o limite de escoamento do material e a tensão em um dado ponto. Ou seja, quanto maior a tensão no ponto analisado em relação ao limite de escoamento, menor é o fator de segurança. Isso faz sentido, afinal o limite de escoamento é definido como a maior tensão que um material consegue sofrer sem deformar plasticamente – mudanças permanentes na geometria. Um fator de segurança maior que 1 garante que não irão ocorrer deformações plásticas e (muito menos) rupturas, garantindo, portanto, a segurança da peça nas determinadas condições de força e torque que impomos.

Simulações estáticas: departamento de freios, indicando o fator de segurança em cada ponto da peça
Simulações estáticas: departamento de freios, indicando o fator de segurança em cada ponto da peça

Na Ecocar Unicamp, sempre trabalhamos com fatores de segurança superiores a 2,0, pois sempre há divergências entre a vida real e a simulação no computador. Nós queremos ficar longe de tensões que causam deformações plásticas, pois embora exista a estratégia de encruamento (utilização de deformações plásticas para aumentar a resistência do material), isso implica numa mudança muitas vezes imprevisível na forma geométrica da peça, e como nosso carro é bem dimensionado e tem muitas conexões que dependem do comprimento, altura e largura de cada componente, mudanças assim podem ser problemáticas. Ainda mais considerando que nosso metal principal é o alumínio, muito mais dúctil que o aço, por exemplo, mas muito mais leve também.

Realização da Simulação

Na etapa inicial da simulação, é necessário que sejam estabelecidos alguns parâmetros, tais como:

  • Material: é preciso que seja determinado o/os tipos de materiais que serão utilizados em cada peça do conjunto.
  • Cargas externas: observa-se o módulo, a direção e o sentido de todas as forças, momentos, pressão, etc, sejam elas forças externas, de reação, contato, peso ou torque. É, também, importante analisar se é cabível considerar forças e momentos pontuais ou se deve aplicar um carregamento distribuído.
  • Acessórios de fixação: nesse item, é necessário informar como é a fixação do seu modelo, ou seja, quais componentes possuem geometria fixa, suportes, rolagem etc. Sem esses pontos de apoio, o conjunto analisado fica livre para se mover sem restrições, e o objetivo da análise não é analisar a dinâmica que as forças vão causar
Análise estática do pedal de freio tendo como parâmetro a tensão.
  • Conexões: utilizado para verificar como os componentes da montagem de peças estão conectados entre si, seja por parafuso, pinos, rolamentos, etc.
  • Malha: Essa é a definição do grau de precisão da simulação. Para malhas mais finas, maior é a quantidade de “Elementos Finitos”, diminuindo o erro da simulação em relação à realidade, porém o esforço computacional é maior.

Resultados

A partir dos gráficos com a legenda associada, podemos analisar os diferentes conceitos que discutimos previamente: locais de maiores tensões e deformações elásticas, que correspondem a locais de menores fatores de segurança, e a distribuição dessas grandezas ao longo da peça.

Em certos casos, podemos ver se a peça está superdimensionada (um fator de segurança muito maior do que o fator mínimo para uma peça segura), fazendo com que seja necessário projetá-la novamente ou mudar o material, pois peças superdimensionadas geralmente têm maiores peso, dimensões e complexidade que não são estritamente necessários para um bom funcionamento. Ainda mais que estamos numa competição de eficiência energética, gastos desnecessários são negativos à nossa performance.

Do outro lado do espectro, de vez em quando encontramos locais com fator de segurança indesejáveis, muito menores que o limite estabelecido. Isso nos indica que talvez o material não é adequado, ou então há “cantos vivos” que concentram tensões (bordas com ângulos retos ou próximos de 90 graus, que pela física envolvida no cálculo de tensões, naturalmente causam um aumento de tensões nas proximidades desse canto vivo).

De qualquer forma, as simulações estáticas servem como base para qualquer peça que formos projetar, mas não é a única que devemos fazer para garantir que a peça está otimizada e pronta para ser manufaturada. Essa simulação nos mostra o mínimo que a peça precisa suportar na nossa montagem – ainda há outras análises a serem feitas com o Solidworks para projetar uma peça leve, resistente e funcional.


Esse post é resultado da parceria da FilipeFlop com a equipe Ecocar UNICAMP. Curtiu o conteúdo? Então deixe seu comentário abaixo!

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