Análise Estrutural de um Chassi de Mini Baja

Universidade Federal do Oeste do Pará Instituto de Engenharia e Geociências Equipe Bajara

Analisado com o SOLIDWORKS Simulation Simulação de Gaiola 3D 1

Simulação de um Chassi de Mini

Baja para 22ª Competição Baja

SAE Brasil 2016

Data: sábado, 12 de março de 2016

Projetista: Equipe BAJARA

Nome do estudo: Capotamento e colisões especificadas

Tipo de análise: Análise estática

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Equipe BAJARA 12/03/2016


Introdução

A gaiola é a estrutura sustentadora de todos os subsistemas do veículo. Responsável também por

proteger a vida do piloto para condições específicas de impacto. Uma estrutura com essa finalidade deve

deformar-se e romper-se antes de transferir a energia de eventuais cargas sofridas para os subsistemas e em

último caso ao piloto. As hipóteses utilizadas neste estudo são de capotamento e colisões com outros veículos

em velocidade máxima.

O estudo foi realizado utilizando a ferramenta Simulation do Solidworks. A licença do produto foi

adquirida em forma de patrocínio para Equipe Bajara. O software possui a capacidade de aplicar malhas simples

e seus resultados neste primeiro estudo servem para a noção de como a estrutura deformará quando as hipóteses

utilizadas forem aplicadas. Os resultados são calculados e o Protocolo Australiano para projetos de carros é

utilizado para validar o estudo.

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Propriedades do estudo Nome do estudo Capotamento ( carga frontal)

Tipo de análise Análise estática

Tipo de malha Malha de viga

Tipo de Solver Solver Direct Sparse

Efeito no plano: Desativada

Mola suave: Desativada

Atenuação inercial: Desativada

Opções de união incompatíveis Automático

Grande deslocamento Desativada

Calcular forças de corpo livre Ativada

Pasta de resultados Documento do SOLIDWORKS (C:\Users\Rodrigo Lobo\Dropbox\BAJA SAE\Desenhos ou modelos)

Unidades Sistema de unidades: SI (MKS)

Comprimento/Deslocamento mm

Temperatura Kelvin

Velocidade angular Rad/s

Pressão/Tensão N/m^2

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Propriedades do material

Propriedades

Nome: Aço 1020 Tipo de modelo: Isotrópico linear

elástico Critério de falha predeterminado:

Não determinado

Limite de escoamento:

𝟑, 𝟓𝟏𝟓𝟕𝟏 ∗ 𝟏𝟎𝟖𝑵

𝒎𝟐

Resistência à tração: 𝟒, 𝟐𝟎𝟓𝟎𝟕 ∗ 𝟏𝟎𝟖

𝑵

𝒎𝟐

Módulo elástico: 𝟐 ∗ 𝟏𝟎𝟖

𝑵

𝒎𝟐

Coeficiente de

Poisson: 0.29

Massa específica: 𝟕𝟗𝟎𝟎

𝑲𝒈

𝒎𝟑

Módulo de cisalhamento:

𝟕, 𝟕 ∗ 𝟏𝟎𝟏𝟎𝑵

𝒎𝟐

Tabela 1: propriedades do material.

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Informações de malha Tipo de malha Malha de viga

Informações de malha - Detalhes

Total de nós 747

Total de elementos 697

Tempo para conclusão da malha (hh;mm;ss): 00:00:16

Nome do computador: WOLF

Figura 1: visão geral do modelo.

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Objetivo

Analisar a deformação elástica da estrutura quando submetida às tensões de capotamento e colisão.

Capotamento:

As forças aplicadas na estrutura foram calculadas com base na massa do veículo segundo a adr59 do

protocolo australiano para: carga frontal; carga lateral; carga vertical. Todas estas aplicadas ao Lateral

Cross-Member(LC) frontal superior. A escolha do elemento deve-se a esta ser a parte menos resistente da

estrutura a receber as cargas devido a um possível capotamento.

Carga frontal

Forças resultantes

Forças de reação

Conjunto de seleção

Unidades Soma X Soma Y Soma Z Resultante

Modelo inteiro N -377.701 5867.86 -0.000671387 5880

Momentos de reação



Modelo inteiro N.m 150.576 -14.3472 -18.6769 152.407

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Resultados do estudo

Nome Tipo Mín. Máx.

Tensão1 TXY: Cisalhamento na dir. Y no plano YZ

0 N/m^2 Elemento: 12

3.11472e+008 N/m^2 Elemento: 30

Figura 2: Gaiola 3D-Capotamento ( carga frontal)-Tensão.


Deslocamento1 URES: Deslocamento resultante 0 mm Nó: 13

2.91615 mm Nó: 602

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Figura 3: deslocamento resultante.

Considerações

As figuras (2) e (3) mostram as tensões de resposta e contorno das deflexões, respectivamente. Observa-se na estrutura que

o ponto de deflexão máxima é no Lateral Cross-member (LC) superior, exato local de aplicação da força frontal de

capotamento. É possível notar também que a deformação é maior nos tubos Roll Hoop Overhead members(RHO). As

deformações apresentadas estão dentro dos limites de segurança e conforto da SAE-BRASIL de 150 mm. Os maiores

estresses na estrutura são observados no Front Bracing members (FBM). O limite de escoamento não foi atingido.

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Carga lateral.

Forças resultantes

Forças de reação



Modelo inteiro N -4440 0 0.00012207 4440




Modelo inteiro N.m -3.51277 -239.608 -265.541 357.681

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5.61158e+008 N/m^2 Elemento: 484

Figura 4: tensão de força lateral.



24.8047 mm Nó: 61

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Figura 5: deslocamento devido à carga lateral.

Considerações

As figuras (3) e (4) mostram a tensão de Von-Mises na estrutura e o contorno das deflexões, respectiamente. A análise de

falha mostra que uma força de capotamento aplicada lateralmente ao LC pode supercar o limite de escoamento da estrutura

e causar seu rompimento. A deflexão máxima é quase o dobro da recomenada pela SAE-BRASIL neste ponto. A amplitude

de tais deslocamentos começa a causar a aplicações de forças indesejadas ao piloto, não sendo ,entratanto, perigosa.

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Carga vertical aplicada ao Lateral Bracing Member(LC) superior

Forças resultantes

Forças de reação



Modelo inteiro N 3.05176e-005 -821.758 11731.3 11760




Modelo inteiro N.m -243.589 258.586 -25.076 356.133

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3.89102e+008 N/m^2 Elemento: 128

Figura 6: carga vertical.



5.45889 mm Nó: 136

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Figura 7: deslocamento devido à carga vertical.

Considerações

As figuras (5) e (6) mostram a tensão de Von-Mises e contorno das deflexões, respectivamente. Nos pontos onde o limite

de escoamento foi superado ocorrerá deformação permanente do corpo e barras em que isso ocorre são o LC e RHO. Apesar

da deformação elástica, a amplitude de deslocamento mostra conforto e ausência de perigo para o piloto.

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Forças de colisão

As forças de colisão apresentadas no modelo foram estimadas com base na taxa de variação do momento linear. A massa

utilizada foi a do veículo com todos os seus subsistemas sendo esta de aproximadamente 250 KG.

Colisão frontal com obstáculo estático

Acessórios de fixação e Cargas

Nome da carga

Carregar imagem Detalhes de carga

Força de colisão frontal

Entidades: 6 Vigas Tipo: Aplicar força

Valores: ---, ---, -41500 N Momentos: ---, ---, --- N.m

Forças resultantes

Forças de reação Conjunto de seleção


Modelo inteiro N 0.000274658 249001 -0.000244141 249001




Modelo inteiro N.m -1246.02 0.929777 4.20792 1246.02

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1.54688e+009 N/m^2 Elemento: 96

Figura 8: tensão devido à colisão frontal com obstáculo fixo.



6.69035 mm Nó: 111

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Figura 9: deslocamento devido à colisão frontal.

Considerações

Esta força foi estimada quando o veículo está em linha reta e com velocidade máxima. A figura (6) e (7) mostram a tensão

de Von-Mises e o contorno das deflexões, respectivamente. O tubo sofredor do impacto atinge valores altíssimos de tensão

ao superar o limite de escoamento, mas não foram encontradas tensões de ruptura. A deflexão é maior no Front Bracing

Members (FBM) e se propaga para a parte de trás da estrutura diminuindo em amplitude à medida que avança. Seu valor

máximo está dentro dos limites de segurança e conforto.

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Colisão frontal com outro veículo em movimento à mesma velocidade máxima e massa


Nome da carga


Pior força de colisão frontal


Valores: ---, ---, -83000 N Momentos: ---, ---, --- N.m

Forças resultantes

Forças de reação



Modelo inteiro N 0.000549316 498001 -0.000488281 498001




Modelo inteiro N.m -2492.03 1.85955 8.41585 2492.05

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3.09375e+009 N/m^2 Elemento: 96

Figura 10: tensão devido à força de colisão frontal com outro veículo à velocidade de 60 Km/h.



13.3807 mm Nó: 111

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Figura 11: deslocamento devido à colisão frontal com outro veículo à velocidade de 60 Km/h.

Considerações

As figuras mostram as tensões de Von-Mises e contorno das deflexões, respectivamente. O limite de escoamento foi

bastante superado e as deformações nos pontos de ocorrência serão permanentes. A amplitude das deflexões supera atinge

níveis indesejados e altos. Este tipo de colisão deve ser amplamente evitado.

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Colisão lateral de outro veículo


Nome da carga


Força de colisão lateral


Valores: ---, ---, 41500 N Momentos: ---, ---, --- N.m

Forças resultantes

Forças de reação



Modelo inteiro N -249000 0.00195313 -0.0078125 249000




Modelo inteiro N.m 94.4341 -11183.3 -9341.4 14571.8

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6.42677e+009 N/m^2 Elemento: 553

Figura 12: tensão devido à colisão lateral de outro veículo a 60 km/h com a estrutura.



242.297 mm Nó: 292

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Figura 13: deslocamento devido à colisão lateral de outro veículo à 60 km/h com a estrutura.

Considerações

As figuras mostram a tensão de Von-Mises e o contorno das deflexões, respectivamente. O limite de escoamento é superado

em pontos próximos a soldas, tornando este tipo de colisão mais perigoso para a estrutura. As deflexões máximas mostram

que o limite de segurança é ultrapassado e parte considerável da energia do impacto é transferida ao piloto.

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