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PROF. ROBSON GONALVES TRENTIN

ANSYS Workbench

Primeira DEMO: Anlise Estrutural Esttica

Fora devido Combusto

Restries devido aos mancais centrais do bloco do motorFixao no Volante

1. Tipo de Anlise 2. Propriedade de Material 3. Importao da Geometria4. Malha (refinamento)5. Restrio e Carregamentos 6. Processamento7. Anlise dos Resultados

Passo-a-Passo que ser descrito:

1. A inteno mostrar como realizar uma anlise esttica estrutural. Precisamos escolher este tipo de anlise (1).

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Definio do Tipo de Anlise

Definio das Propriedades de Material2. Em seguida devemos inserir as propriedades de material; Click boto direito (1), em seguida click em edit (2), click no material (3) e altere osdados de material na tabela (4).

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Inserindo a Geometria...3. Click boto direito (1), em seguida click em Import Geometry eBrowse (2). Aponte para o diretrio que contm a geometria deinteresse. Neste nosso primeiro exemplo, o arquivo oVirabrequim.agdb.

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Carregando o modelo...

Ao iniciar a utilizao da interface ANSYS Workbench, o usurio ver algoparecido com a figura abaixo, contendo o modelo e uma rvore deconstruo ( esquerda), onde sero definidas as condies de contorno,carregamento, material e escopo da anlise desejada.

4. Fundamental para qualquer anlise, o domnio de clculo (malha domodelo, onde as respostas sero obtidas) precisa ser definida. Clique noboto direito do mouse sobre a caixa Mesh (1), na rvore, para gerar umaprimeira malha automtica (3).

Gerao da Malha

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Refinamento de Malha possvel refinar a malha em alguma regio especfica. Selecione a Ferramenta (1), defina o tamanho desejado (2),escolha as regies de interesse (3) e clique em (4). Clique com oboto direito em face sizing na rvore e (5). Oresultado pode ser visto em (6)

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5. Neste exemplo utilizaremos como ponto de fixao os furos do virabrequim, selecione (1) , click nas superfes desejadas (2), (3) , resultado final (4)

Definio das Restries e Carregamento

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Gerao da MalhaDefinio das Restries e CarregamentoEm seguida, a definio do comportamento dos mancais centrais. Nestas regies, o eixo pode girar(livre em (1)), mas no se desloca no raio (r) e na direo axial. Com o auxlio da arvore decriao , click com o boto direito em cima de (1) , em seguida passe o mousepor(2), click em (3), click em (4) na fora tangencial,escolhas as superfices (5) e d um (6)

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A seguir ser aplicada uma fora no primeiro munho, como resultado da fora de compresso nabiela gerada pela combusto no primeiro cilindro. Click com o boto direito em cima de (1) , em seguida passe o mouse por(2), click em (3), selecione asuperfcie (4), escolha a direo X , fora = 1000 N e d um (5)

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Especificao das Respostas Desejadas

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6. Neste passo o usurio precisa informar o software em que resultado ele estar interessado.

Von Mises Deslocamentos Mxima tenso Principal Mnima tenso princ.

Acionar a Soluo...

3. Importao da geometriaAnlise dos Resultados

7. Nesta fase entra o bom senso do engenheiro. a fase de ps processamento, onde osresultados sero avaliados, segundo critrios especficos, que podero variar de caso a caso.

1. Importao da Geometria2. Malha (refinamento)3. Definio do Tipo de Anlise (Trmica Regime Permanente)4. Definio das Propriedades do Material 5. Restries e Carregamentos 6. Processamento7. Anlise dos Resultados


Detalhadas na demonstrao anterior

Anlise Trmica

Na prtica, o pisto um dos componentes mais solicitadostermomecanicamente. Ele recebe uma carga mecnica etrmica dos gases da combusto (topo) e precisarapidamente dissipar este calor atravs dos anis (grooves)e do leo que utilizado na lubrificao da saia.A fim de conhecer a distribuio de temperatura no pisto, necessrio saber como ele troca calor, basicamente, porconduo e conveco. Precisamos saber os Hs e Ts, ouHTCs, como so mais conhecidos (coeficiente de pelcula etemperatura). Esse conhecimento nos trazido atravs deuma simulao CFD ou atravs de testes de laboratriocom a devida instrumentao (termo pares).

TOPO

SAIA

LANDS

LANDS

LANDS

GROOVES

1. Como nas anlises anteriores, o usurio dever informar ao software o tipo de anlise que ele deseja avaliar (Steady-State a traduo de regime permanente).

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O ponto de interrogao indica a necessidade deindicarmos as condies de contorno ecarregamento, alm da indicao dos resultadosque desejamos ps-processar.

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Temperatura de Referncia

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Anlise Trmica

No topo o coeficiente de pelcula da ordem de576E-6 W/mm2, como indicado.

A temperatura deste mesmo filme da ordemde 800 graus. Alguns graus a menos que atemperatura mdia dos gases que entraram emcombusto na cmara.

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Anlise Trmica

Anlise Trmica

Sucessivamente o usurio continua a informar os coeficientesde pelcula e temperaturas de filme para todas as regies docomponente. Nos canaletes, o pisto tem ajuda dos anis paradissipar calor e nas demais regies, ele tem a ajuda do filme deleo lubrificante, cuja funo primria garantir que no hajacontato metlico entre pisto e cilindro.

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Anlise Trmica

Componente Faces Qtd. Coef. pelcula

(W/mm) Temp.

limite (C) Convection Top 5 41076,5 800 Convection 1 Land 1 4103 450 Convection 1 Groove 2 3103 160 Convection 1 Groove Down 1 3104 160 Convection 2 Land 1 3101 150 Convection 2 Groove 2 3103 150 Convection 2 Groove Down 1 3104 150 Convection 3 Land 1 3101 140 Convection 3 Groove 2 3102 130 Convection 3 Groove Down 1 3103 130 Skirt 4 3101 120 Convection Inside Top 4 31005,1 145 Convection Inside Down 3 4105,9 145

Anlise Trmica

Requisitando o campo trmico comoresultado de ps-processamento. Esteresultado no precisa ser solicitado apriori, mas pelo menos uma soluoprecisa ser indicada como desejvel.

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Anlise Trmica 7. Nas figuras abaixo tem-se como resultado as temperaturas em todas as regies do pisto comoconseqncia dos coeficientes de troca de calor que inserimos anteriormente. Esses coeficientespodero sofrer alteraes sempre que, num teste de laboratrio com termopares, forem detectadosvalores no conformes com os obtidos numericamente. Teramos, assim,um trabalho de correlao deresultados.

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Anlise Modal

Restries devido aos mancais centrais do bloco do motor

Fixao no Volante

1. Importao da Geometria2. Malha (refinamento)3. Definio do Tipo de Anlise (Modal)4. Definio das Propriedades do Material 5. Restries e Carregamentos 6. Nmero de modos presentes na resposta7. Processamento8. Anlise dos Resultados



Idnticas ao caso anterior, com

exceo do carregamento

Segunda DEMO: Anlise Modal

3. A escolha do tipo de anlise segue o mesmo padro. No menu superior, comoindicado. (1)Neste ponto o usurio precisa informar os modos de interesse. Se a anlise livre-livre (ou seja, sem condies de contorno) ento os seis primeiros modos somovimentos de corpo rgido, com freqncias nulas associadas aos modos devibrar. Neste caso, sugere-se inserir 10 ou 12 modos. (2)

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Definio do Tipo de Anlise

Solicitao das Respostas6. Como indicado em (1), o usurio dever requisitar as solues. No caso,

deslocamentos totais. Na anlise modal esses deslocamentos no podem serinterpretados de forma absoluta. O conjunto de deslocamentos nodais dar aousurio uma idia sobre o modo de vibrar do componente associado freqncia solicitada.

7. Determine o n de modos que a anlise dever fornecer no ps processamento(3) . Clique em .

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Anlise dos Resultados

Neste espao fica indicado o valor da freqnciaassociado ao modo solicitado. No caso em questo, onono modo de vibrar.

Os resultados mostrados na legenda s faro sentido a partir de umaanlise harmnica, onde sero indicados os carregamentosharmnicos atuantes no componente.


Anlise Harmnica

1. Importao da Geometria2. Malha (refinamento)3. Definio do Tipo de Anlise (Harmnica)4. Definio das Propriedades do Material 5. Restries e Carregamentos 6. Processamento7. Anlise dos Resultados


Idnticas ao caso anterior, com

exceo do Momento

Restries devido aos mancais centrais do bloco do motor

Fixao no Volante

Momento

Definio do Tipo de Anlise3. Utilizaremos como referncia os dados obtidos na Anlise Modal . Para iniciar v

ao menu superior , como indicado (1), e escolha o item Harmonic Response.

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5. Aps a escolha do tipo da anlise ,insira em (1) o valordesejado para o Range Mximo e Mnimo (2) . Neste exemplo , utilizaremos um rangeque engloba a freqncia do primeiro modo de vibrar, obtido na anlise Modalanteriormente realizada, cerca de 380 Hz. Nosso Range Mximo ter o valor de1000Hz (3)


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Definio das Restries e CarregamentoO que muda da anlise modal para a harmnica a presena de uma solicitao harmnica. As restries so mantidas. Acrescentaremos um momento na extremidade do virabrequim. Para inserir o Momento Toror clique em (1) , em seguida acione o tem (2), (3), depois determine a direo e a intensidade do momento (4)

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Solicitao das Respostas Em (1) defina o Range de Freqncias que ser estudado e on de intervalos solicitados (2) .O n de solues requisitada ser determinado pelousurio, como j demonstrado anteriormente . Em seguida insira o comando (3), definindo a orientao do eixo em que ser feita aanlise. Insira resposta a freqncia para tenso e deformao atravs daamplitude (4) como tem de sada. Clique em solve.

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Anlise dos ResultadosAgora compare os resultados obtidos entre a Anlise Modal (1) e a Harmnica (2) . Nosso exemplo utiliza o 1 pico de Frequncia de um Eixo Virabrequim . Utilizamos um Range para a Anlise de 1000 Hz. O Pico de 374 Hz (3)

Anlise Modal

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Anlise Harmnica2

FADIGA

Presso de Combusto

1. Numa anlise de fadiga faz-se necessria a determinao dos campos de tenso a queo(s) componente(s) estar(o) submetido(s). A natureza destes campos pode ser trmica,termomecnica, dinmica, etc. No caso a seguir, iremos aplicar uma carga de 27053N naspontas do pino, como indicado, simulando a presso dos gases da combusto. E nasequncia analisaremos apenas o comportamento fadiga da biela.

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tem acesso tabela e curva (3)onde os valores do nmero deciclos em funo da tenso podemser editados para se ajustar curvado material real, na tabeladelimitada pela caixa abaixo

Uma das primeiras coisas a se fazer ao trabalhar com fadiga informar a curva de fadiga domaterial. Editando (1) as propriedades, o usurio deve selecionar (2) o grfico (alternatingstress) indicado para utilizar a metodologia SN ou o grfico (strain-life parameters) parautilizar a metodologia Epsilon-N.Ao selecionar o referido grfico (2), o usurio

FADIGA

Tendo especificado uma anlise esttica, como descrito nos slides anteriores, faz-senecessrio inserir o Fatigue Tool (1), como indicado abaixo, e especificar as condies doteste (2). A seguir mostraremos detalhes de como isso pode ser feito.

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FADIGA

Na janela de detalhes, em (1), necessrioespecificar as condies do teste. Zerobased, como mostrado ao lado, se refere auma condio na qual o segundocarregamento nulo, fazendo com que amdia e a alternada sejam iguais em mdulo.

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Em (2) o usurio escolhe a metodologia declculo. Esto disponveis: Metodologia SN(stress life) e metodologia Epsilon-N (strainlife). A metodologia SN, superficialmentefalando, apropriada para alto nmero deciclos, HCF (high cycle fatigue), e ametodologia Epsilon-N apropriada paravidas curtas, LCF (low cycle fatigue).

FADIGA

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Em (3) preciso indicar ao software oalgoritmo a ser utilizado para correo dascargas mdias. Goodman, mostrado ao lado, o mais utilizado na prtica. Sodeberg omais conservador e a parbola de Gerber a mais prxima do comportamento real dosmetais.

Nos estados multiaxiais de tenso precisoestabelecer um parmetro nico (umavarivel) que resuma o estado triaxial detenses. Na prtica tem-se utilizado bastantea componente Signed Von Mises, que nadamais do que a tenso equivalente de VonMises com o sinal da maior tenso principaldo tensor de alternadas. Positivo, caso a

maior principal for trativa (1). Negativo,caso a maior principal for compressiva (3).

FADIGA

1. Do ponto de vista da biela, o que importa, realmente, a presso de contato exercidapelo pino, como indicado abaixo. Considerando a presso de combusto de 100bar e odimetro de 83mm do pisto, a fora exercida de 27053N em cada extremidade do pino.

F=27053N

2. Com este carregamento, o campo detenses pde ser determinado.

Concentrao de tenso epossvel ponto de iniciaode trinca.

F=27053N

FADIGA

Neste exemplo simulado, a determinao da vida Biela ficou entre 1e6 Ciclos , isto significaque a Biela no enfrentar o processo de fadiga , entretanto o pino , quando atingir cercade 8588 ciclos , a sua extremidade estar propicia ao aparecimento de Trincas , que com opassar do tempo ocorrer a Fadiga por Completo

FADIGA

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