Capa Simulações mecânicas com Solidworks

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Nosso objetivo como equipe é construir um protótipo de carro mais eficiente possível – para competir na Shell Eco-Marathon. Para isso, precisamos inicialmente fazer análises e simulações mecânicas com Solidworks, nas peças que formos projetar, para se assegurar que as tensões que serão aplicadas não causarão nenhum estrago alarmante. Esse passo é importantíssimo pois um carro é um grande sistema com várias interações entre os componentes, e qualquer falha em um local se espalha para todo o sistema. Depois disso, precisamos otimizar cada componente para que o nosso carro consuma a menor quantidade de energia possível. Mas quais ferramentas do software Solidworks usamos para fazer isso? O que significa “otimizar” uma peça? Veremos logo menos as 4 principais simulações que o departamento Mecânico realiza na Ecocar UNICAMP, para garantir que todas as nossas peças sejam otimizadas para a maior competição de eficiência energética do mundo.

Simulação Estática

A primeira simulação que realizamos é o estudo das forças e fixações que afetam a peça. Como o próprio nome indica, tudo isso é feito estaticamente – não há variações temporais; por isso, a simulação estática pode ser considerada básica, mas ela é essencial. O foco dessa análise é prever quais são os locais de maior tensão, deformação ou até mesmo ruptura em casos extremos. Com essas informações, podemos ver se a peça está pronta para começarmos a otimizar ela. Caso ela não esteja (há grandes deformações ou rupturas), precisamos refazer a peça, trocar o material, ou checar se as nossas forças externas estão corretas.

Forças sendo aplicadas para uma Simulação Estática
Forças sendo aplicadas para uma Simulação Estática

Após realizar a simulação, calculando os efeitos de todas as forças num material tridimensional, o Solidworks nos dá recursos visuais dos resultados, como a figura abaixo. Dentre os gráficos que podemos escolher, o que nos dá a informação mais pertinente é o de Fator de Segurança. Este fator é definido pela razão entre o limite de escoamento do material e a tensão em um dado local. Assim, se o Fator de Segurança for 1, a tensão é igual ao limite de escoamento, e começará a ter deformações plásticas naquele local. Como isso não é desejado, pois pode virar um efeito bola de neve e causar inúmeros problemas no carro, trabalhamos com um Fator de Segurança mínimo de 2.

Com os locais de menor Fator de Segurança marcados, podemos já ter uma noção das regiões críticas de nossa peça. De repente, se for um canto vivo (uma aresta pontuda), que acumula tensões, vale a pena aplicar um filete ou um chanfro. Ou então seja necessário acrescentar mais material para estruturar a peça. Essas são as ideias que trabalhamos depois de ver o resultado dessa primeira simulação, mas estamos longe de ter a peça acabada.

Simulação Paramétrica

De modo geral, quanto menor a massa total do carro, menos energia é gasta pelo motor para acelerá-lo. A explicação básica por trás disso é que quanto menor a massa, menos torque nosso motor precisa oferecer para acelerar nosso carro. Assim, a principal otimização (processo de tornar algo ótimo, em nosso caso, o mais eficiente energeticamente) que queremos é reduzir a massa de cada componente. Podemos fazer isso trocando seu material, reduzindo seu tamanho, ou removendo material em pontos estratégicos da peça. A simulação paramétrica faz os dois primeiros, automaticamente (o terceiro fica para a próxima simulação).

Selecionamos quais parâmetros queremos variar entre cada iteração da simulação, material, alguma medida da peça (comprimento, largura, altura, raio), alguma força ou fixação da simulação estática, entre outros. O Solidworks fará uma iteração para cada permutação desses parâmetros, então essa simulação pode ficar bem demorada dependendo de quantas variáveis você colocar. Antes de rodar, selecionamos qual é o objetivo e quais as restrições que queremos. No nosso caso, selecionamos o mínimo fator de segurança e colocamos melhor taxa de rigidez para massa, ou seja, melhor fator de segurança com o material com a menor massa. Automaticamente o Solidworks nos oferece qual combinação é a ótima, após rodar a simulação.

Na prática, a paramétrica nada mais é do que várias estáticas de uma vez, com um objetivo otimizado em mente. É bem útil para a escolha do material, pois há várias ligas de aço e alumínio, os principais materiais que utilizamos, disponíveis na biblioteca do Solidworks. Com a escolha do material ótimo, podemos passar para a última simulação de otimização de peças gerais, a topológica.

Simulação Topológica

A simulação topológica é a mais flexível para otimizações de massa. Em comparação com a paramétrica, temos várias possibilidades da redução de massa que queremos – a paramétrica apenas muda a massa com o tamanho e o material da peça. Como essas mudanças têm valores fixos – além de não querermos longos tempos de simulação, ficamos limitados nessas variações. A topológica nos permite escolher exatamente quanta massa queremos retirar da peça.

Essa análise consiste em ver quais regiões não estão sob grandes tensões (fator de segurança bem alto), para que material possa ser retirado desses locais. O Solidworks já reconhece os locais de aplicação de forças e fixações como locais importantes, e portanto não retirará material daí. Fora isso, precisamos indicar as regiões preservadas.

Para rodar a simulação, simplesmente escolhemos qual a porcentagem de material a ser retirado e pronto. Note que nem todo valor será razoável; remover 90% quase sempre não dará um bom resultado.

Resultado visual de uma Simulação Topológica
Resultado visual de uma Simulação Topológica

O resultado final é sempre uma visualização de onde remover material, então após seguir as indicações, é uma boa prática fazer uma simulação estática para checar o fator de segurança.

Simulação de Fluxo

A simulação de fluxo é essencial para análises de eficiência aerodinâmica, ou seja, a partir dos resultados obtidos por ela podemos compreender como o ar se comporta ao entrar em contato com a superfície do carro, a qual é denominada carenagem. Além disso, podemos entender as variações de pressão que ocorrem ao longo da carenagem.

Essa simulação possibilita a otimização da geometria da carenagem o que resulta em menores forças dissipativas e, consequentemente, menores esforços, menores gastos energéticos e uma melhor eficiência. Ademais, é possível analisar a estabilidade do carro e sua dirigibilidade, uma vez que o ar também executa uma força de sustentação, que é a força responsável por permitir a decolagem dos aviões.

Representação visual das linhas de velocidade do ar, numa Simulação de Fluxo
Representação visual das linhas de velocidade do ar, numa Simulação de Fluxo

Agora que já entendemos a importância de uma análise aerodinâmica, além de podermos compreender melhor o que se obtém em uma simulação de fluxo e como buscamos aumentar a eficiência de um carro através de otimizações que só serão possíveis por meio desses resultados percebemos a importância dessa simulação para a segurança do motorista e de todos os participantes da competição.

diversas outras. Desse modo, percebe-se bem o quão útil e importante tal software tem sido para a evolução da equipe e pode ser útil no ramo de projetos de engenharia e produtos.


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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