FACULDADE PALAS ATENA DE ASTORGA

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FACULDADE PITGORASCURSO ENGENHARIA MECNICAANALISE ESTRUTURAL QUADRO DE BICICLETAS USANDO ANSYS, SOLIDWORKS E FTOOL TEIXEIRA DE FREITAS/ 2015FACULDADE PITGORASANALISE ESTRUTURAL QUADRO DE BICICLETA USANDO ANSYS, SOLIDWORKS E FTOLLANTNIO CLIMRIO DA SILVA SANTOSDIEGO SOUZA SANTOS

SAMARONE SOUSA SANTOS

ISRAEL NOVAIS

CLEUBESON DE OLIVEIRA PARDIMTEIXEIRA DE FREITAS 2015FACULDADE PITGORASANALISE ESTRUTURAL QUADRO DE BICICLETA USANDO O ANSYS, SOLIDWORKS E FTOOLProjeto apresentado pelo Grupo, Faculdade Pitgoras, como um dos requisitos para a obteno de nota parcial na matria Analise de Estruturas.Orientador:

Prof(a). Dr. Wanderson Muniz de SantanaFACULDADE PITGORAS2015RESUMO

Este trabalho visa conhecer os pontos de fadiga em um quadro de bicicleta, usando modelagem computacional e analise de elementos finitos, comparando entre dois materiais mais comumente usados na fabricao dos quadros de bicicleta. Visando uma melhor escolha do material.

Palavras chaves: Fadiga, Deformao, Elementos FinitosLISTA DE FIGURA

Figura 01 (Sketch/Medidas)09Figura 02 (Ttulo/tema da figura)33

Figura 03 (Ttulo/tema da figura)41

Figura 04 (Ttulo/tema da figura)54

Figura 05 (Ttulo/tema da figura)63Figura 05 (Ttulo/tema da figura)63

Figura 05 (Ttulo/tema da figura)63

Figura 05 (Ttulo/tema da figura)63

Figura 05 (Ttulo/tema da figura)63

Figura 05 (Ttulo/tema da figura)63

Figura 05 (Ttulo/tema da figura)63

Figura 05 (Ttulo/tema da figura)63

Figura 05 (Ttulo/tema da figura)63

Figura 05 (Ttulo/tema da figura)63

SUMRIO

1. INTRODUO 13

1.1 FORMULAO DO PROBLEMA

13

1.2 JUSTIFICATIVA 13

1.3 METODOLOGIA 13

1.4 OBJETIVO GERAL 13

1.5 OBJETIVOS ESPECFICOS 14

4. CONCLUSO 20 REFERNCIAS 21 GLOSSRIO 23 APNDICE 241. INTRODUOA anlise da estrutura de um quadro de bicicleta usando modelagem computacional e mtodos de elementos finitos, tem a importncia de verificar com base em dois materiais utilizados na fabricao de bicicletas, no o melhor ou pior elemento, mas o comportamento da estrutura na matria de Teoria das Estruturas, existe variada literatura no que tange confeco de um quadro de bicicleta, mas o intuito analise as foras sobre este quadro fabricado.

1.2 FORMULAO DO PROBLEMA

Analise de matrias empregados na confeco de um quadro de bicicleta, e como comporta aps aplicao de uma carga normal centralizada. 1.3 JUSTIFICATIVA

Verificando que as bicicletas so bens de consumo durveis, visto que muitas podem chegar a mais de 20 anos de uso, considerar uma falha de estrutura antes de colocar este produto no mercado fundamental para a confiabilidade do produto final.1.4 METODOLOGIAPara confeco deste trabalho usou-se o software SOLIDWORKS e ANSYS Todas as veres, licena para estudantes, foi feito o sketch no SOLIDWORKS e a analise estrutural foi elaborada no ANSYS, tendo em vista que analise dos quadros foram feitas tendo os quadros a mesma medida, s alterando o material, todos os dois quadros foram feitos analise estrutural usando o modelo de tenso de Von Mises, para a criao da malha, no foi feito refinamento nesta malha, por motivo de falta de capacidade de processamento para tais clculos Sendo uma proposta para trabalhos futuros o uso de computao distribuda ou Cluster para alcanar os resultados mais aprimorados, j os clculos feitos no FTOOL considera que so em 2D.1.5 OBJETIVO GERAL;Analisar os resultados e entender o uso de ferramentas computacionais na matria de teoria das estruturas e ter uma viso sobre anlise de elementos finitos aplicado em um modelo.1.6 OBJETIVOS ESPECFICOS;

Constatar o comportamento do quadro aps aplicao da tenso, verificando os pontos de possvel ruptura do quadro.1.7 CRONOGRAMA Bimestre/anoANTONIO

DIEGO SAMARONEISRAELCLEUBERSON

RefernciasXXX

Reviso bibliogrficaXXXX

Pesquisa de campoXXX

Anlise dos dados XX

Concluso e entregaXXXXX

2 DESENVOLVIMENTO

Muito tem se falado sobre mtodo de elementos finitos e desenvolvedores de programas computacional os quais tem desenvolvido softwares para lidar com geometrias complicadas, comumente encontradas na engenharia, de modo semelhante, a anlise de tenses requer a soluo de equaes diferenciais parciais, que por sinal so muito difceis de serem resolvidas por mtodo clssico, exceto para formas muito simples. A ideia bsica do Mtodo de elementos finitos dividir o objeto estudado, muitas vezes chamados apenas de elementos conectados por ns, e obter uma soluo aproximada, construindo uma malha chamada: malha de elementos finitos e o processo para criao e chamado de: gerao de malha. Onde a resoluo de um sistema de equaes lineares, e igual ao nmero nodal. Para achar uma razovel, milhares de ns so formulados assim os computadores so essenciais para resolver estes problemas. Foi proposto um quadro de bicicleta com dimenses definidas, para anlise por mtodos de elementos finitos softwares usando modelo e refinamento de malha para clculo estrutural usando mtodo de von missei, as matrias usadas na anlise alumnio e ao este quadro ser sujeito a uma fora normal vertical correspondente a 100kg ou 980kN, peso de um ciclista diretamente no tubo do selim.

Materiais

Foi usado neste estudo dois matrias que so comumente usados nas confeces de bicicletas.Ser usados o ao chamado liga aisi 4130 e o alumnio Aluminum 7075-T6 para verificao dos resultados.

AISI 4130 ao, normalizado a 870 C (1600 F)

Referencia: http://asm.matweb.com/search/SpecificMaterial.asp?bassnum=m4130r

Componente Em peso. %

C 0,28-0,33

Cr 0,8-1,1

Fe 97,3-98,22

Mn 0,4-0,6

Mo 0,15-0,25

P Max 0,035

S Max 0,04

Si 0,15-0,35

Propriedades Fsicas Mtrico

Densidade7,85 g / cc

Resistncia Trao, Ultimate670 MPa

Resistncia Trao, Yield435 MPa

Alongamento na Ruptura25,5%

Reduo da rea60%

Mdulos de elasticidade205 GPa

Coeficiente de Poisson0.29

Mdulo de Distoro80 GPa

Aluminum 7075-T6; 7075-T651

Componente

Em peso. %

Al

87,1-91,4

Cr

0,18-0,28

Cu

1,2-2

Fe

Max 0.5

Componente

Em peso. %

Mg

2,1-2,9

Mn

Max 0.3

Outros, cada

Max 0,05

Outro, o total

Max 0,15

Componente

Em peso. %

Si

Max 0.4

Ti

Max 0.2

Zn

5,1-6,1

Propriedades Fsicas Mtrico

Densidade 2,81 g / cc

Mxima Resistncia Trao572 MPa

Alongamento na Ruptura 503 MPa

Alongamento na Ruptura11%

Mdulos de elasticidade 71,7 GPa

Coeficiente de Poisson 0.33

Resistncia Fratura29 MPa-m

Mdulo de Distoro26,9 GPa

Fora de cisalhamento331 MPa

Comumente os fabricantes de quadros de bicicleta usam uma tcnica chamada Butting que permite afunilar ou diminuir a espessura dos tubos no centro deles com isto pode perder consideravelmente o peso, mas no foi usada esta pratica no desenvolvimento deste trabalho. Sendo basicamente os critrios principais, apenas o comportamento do quadro. Tambm as deformaes mximas permanentes, bem como as instantneas devem estar entre os limites previstos.

No presente trabalho, ir realizar simulaes e no testes, ser necessrio impor valores para as tenses mximas admissveis e deslocamentos verticais mximos.

Deslocamento Vertical mximo,

Como no conseguimos achar uma NBR que vise apenas o teste que estamosPropondo considerar apenas uma carga aplicada no assento uma grande simplificao porque a carga vertical do peso do ciclista e da bicicleta sempre aplicada tanto no assento como, como no guido;

Uma vez que no h guido nem garfo frontal em nosso modelo, descartaramos os momentos de rotao, tendo em vista que os engastes esto aplicados na forquilha dos garfos inferior e superior traseiro e o engaste frontal encontra-se na base do Tubo da direo, como a aplicao da fora normal. S haver o clculo das tenses normais e suas reaes em 2D, usaremos para isto a Ferramenta Ftool, mas ser vista mais a frente, Se o caso fosse utilizar dos testes, para testar o conforto do ciclista. Mas para tal, seria mais indicado fazer o teste vertical com a forquilha e ainda com outros elementos da bicicleta do que apenas o quadro. E o estudo modal da frequncia Mxima admitidas no quadro em questo. Dimensionamento do Quadro.

Tentamos entrar em contato com a Caloi e Surrasse, para que os mesmo nos disponibilizasse material para comparar o quadro, mas sem sucesso, em to partimos para a criao de modelo desconsiderando um modelo real, toda prototipagem, se baseia em um modelo computacional, criado pelos acadmicos.Criao do Modelo.

Para a criao do modelo foi usado o software SolidWorks, Verso estudante. Tomamos por base um quadro de MontaimBike, O Mountain Bike surgiu no final dos anos 70, quando um grupo de jovens ciclistas comeou a frequentar as trilhas das montanhas da Califrnia (EUA). Eram basicamente bikers de estrada, que comearam a buscar um novo estilo no ciclismo os nomes mais importantes do esporte seja Tom Ritchey e Gary Fischer, Ritchey contribuiu para o desenvolvimento de novas matrias e o primeiro prottipo de quadro diamante, Modelo Este que estamos usando.

Temos a criao do Quadro do modelo em 2D no Autocad criao de suas vistas. Plotagem do desenho.

Tabela de medidas do quadro em mm

Sigla Nome MedidaDimetro/Espessura

ThTubo horizontal540 mm32 mm/2,5mm

ToTubo obliquo597 mm33 mm/2,5mm

GsGarfo Superior265 mm19 mm/2,5mm

GiGarfo Inferior427 mm20 mm/2,5mm

TsTubo do selim564 mm32 mm/2,5mm

TdTubo direo 145 mm38 mm/2,5mm

Aps a plotagem do desenho partimos para a criao do modelo em 3D Usando o Solidworks.

Para podermos aplicar o mtodo de elementos finitos e tambm a cirao das malhas e os nos assim ditos. Usamos Solidworks

Aps a criao do Sketch em 3D entramos na faze onde aplicaremos no ANSY para anlise de elementos finitos usando tensor de tenso de Von Missie.Iniciaremos pelo quadro de Ao onde suas propriedades esto descritas na tabela acima.

Criaremos primeiro no workbench atribuindo as propriedades do ao no modelo.

Aps aps criao dos atributos das matrias. Importaremos o modelo 3D do quadro de bicicleta para o ANSYS

O quadro de ao composto de massa de 5,310Kg e volume 6,764m

O Quadro de Alumnio ficou com massa de 1,810Kg Volume idntico 6,764m

Logo em seguida estaremos aplicando a Gravidade que resultou em 9,8M/s a aplicao foi feita

Em continuidade aplicamos uma carga vertical de 100kg aplicada diretamente no cano do selim onde seria a aplicao real do peso do ciclista. Esta fora aplicada no eixo Y fora incide para baixo. Aplicamos os engastes nas forquilhas onde encaixaria o eixo e no cano da direo.

Agora vamos aplicar a malha para anlise.

Aps aplicao da malha encontramos o total de 32,629 Ns e 16,807 barras

Entraremos agora no quadro que vamos comparar os quadros deformao e tenso de

Alumnio teve ponto mximo em 13,176 Mpa Prximo ao selim e mnimo tubo da direo 7,186 Mpa.

Ao teve tambm as tensos concentradas prximo ao selim em 13,176 Mpa e mnimo tubo da direo 1,383MpaIremos realizar o teste de deformao total no Aluminio

Comparando os matrias percebemos que a deformao mxima sofrida foi pelo alumnio, que diferenciou de ao no s no afastamento em mm, mas tambm teve maiores pontos de deformao conforme as cores vermelhas tendo seu ponto mximo prximo ao cano do selim com aproximadamente 0.0634 mm e mnimo zero abaixo do tubo da direo

J o ao teme menor afastamento em mm e diferenciou do alumnio que teve seu apcice prximo ao tubo do selim o ao sofreu na juno do garfo superior afastamento de 0,022 mm apenas conhecido no ponto de menor afastamento que abaixo do tubo da direo.Usando o Ftool para calculo em 2D obtivemos os seguintes resultados.

Foi feito o quadro em diamante, Dois tringulos, foi colocado o coeficiente de elasticidade do ao, juntamente com o do alumnio o coeficiente de poissom e fora aplicada de 980,0 KN correspondente a 100Kg

Tambm foi levado em considerao o dimetro, sendo configurado para uso em anel, onde foi atribuda o dimetro e espessura do tubo foi colocado dois engastes, no mesmo padro que no modelo do ANSYS. Na forquilha da roda traseira e no tubo de direo. Resultou nos seguintes resultados

Para axial:

Momentos:

Cortante:

Deformao:

Perceba que a deformao similar a feira em 3D.

Com este estudo conclui que as ferramentas de anlise estrutural ANSYS E FTOOL chegaram a uma similaridade no que compe a deformao, e que o quadro de ao mais seguro confivel, isto usando as mesmas medidas tendo o menor fator de deformao e tambm por stress aguenta maiores ciclos, mas analisando que os mesmo tem a mesma rea a densidade do alumnio menor, para uma melhoria teria que redimensionar os tubos para aproximar do ao, mas para esta aplicao necessitaria da formula de dimensionamento dos tubos, nos levando a crer que o ao nestas medidas superior ao alumnio para esta aplicao.