ANSYS - Workbench

PROF. ROBSON GONÇALVES TRENTIN

ANSYS Workbench

Primeira DEMO: Análise Estrutural Estática

Força devido à Combustão

Restrições devido aos mancais centrais do bloco do motorFixação no Volante

1. Tipo de Análise 2. Propriedade de Material 3. Importação da Geometria4. Malha (refinamento)5. Restrição e Carregamentos 6. Processamento7. Análise dos Resultados

Passo-a-Passo que será descrito:

1. A intenção é mostrar como realizar uma análise estática estrutural. Precisamos escolher este tipo de análise (1).

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Definição do Tipo de Análise

Definição das Propriedades de Material2. Em seguida devemos inserir as propriedades de material; Click botão direito<Engineering Data> (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 botão direito <Geometry> (1), em seguida click em Import Geometry eBrowse (2). Aponte para o diretório que contém a geometria deinteresse. Neste nosso primeiro exemplo, o arquivo é oVirabrequim.agdb.

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Carregando o modelo...

Ao iniciar a utilização da interface ANSYS Workbench, o usuário verá algoparecido com a figura abaixo, contendo o modelo e uma árvore deconstrução (à esquerda), onde serão definidas as condições de contorno,

carregamento, material e escopo da análise desejada.

4. Fundamental para qualquer análise, o domínio de cálculo (malha domodelo, onde as respostas serão obtidas) precisa ser definida. Clique nobotão direito do mouse sobre a caixa Mesh (1), na árvore, para gerar umaprimeira malha automática (3).

Geração da Malha

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Refinamento de MalhaÉ possível refinar a malha em alguma região específica. Selecione a Ferramenta <sizing> (1), defina o tamanho desejado (2),escolha as regiões de interesse (3) e clique em <apply> (4). Clique com obotão direito em “face sizing” na árvore e <generate mesh> (5). Oresultado pode ser visto em (6)

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5. Neste exemplo utilizaremos como ponto de fixação os furos do virabrequim, selecione <Cylindrical Support> (1) , click nas superfíes desejadas (2), <Apply> (3) , resultado final (4)

Definição das Restrições e Carregamento

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Geração da MalhaDefinição das Restrições e Carregamento

Em seguida, a definição do comportamento dos mancais centrais. Nestas regiões, o eixo pode girar(livre em θ (1)), mas não se desloca no raio (r) e na direção axial. Com o auxílio da arvore decriação , click com o botão direito em cima de <Static Structural> (1) , em seguida passe o mousepor<INSERT>(2), click em <Cylindrical Support>(3), click em <FREE>(4) na força tangencial,escolhas as superficíes (5) e dê um <Apply>(6)

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A seguir será aplicada uma força no primeiro munhão, como resultado da força de compressão nabiela gerada pela combustão no primeiro cilindro. Click com o botão direito em cima de <StaticStructural> (1) , em seguida passe o mouse por<INSERT>(2), click em <Force> (3), selecione asuperfície (4), escolha a direção X , força = 1000 N e dê um <Apply>(5)

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Especificação das Respostas Desejadas

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6. Neste passo o usuário precisa informar o software em que resultado ele estará interessado.

Von Mises – Deslocamentos – Máxima tensão Principal – Mínima tensão princ.

Acionar a Solução...

3. Importação da geometriaAnálise dos Resultados

7. Nesta fase entra o bom senso do engenheiro. É a fase de pós processamento, onde osresultados serão avaliados, segundo critérios específicos, que poderão variar de caso a caso.

1. Importação da Geometria2. Malha (refinamento)3. Definição do Tipo de Análise (Térmica – Regime Permanente)4. Definição das Propriedades do Material 5. Restrições e Carregamentos 6. Processamento7. Análise dos Resultados


Detalhadas na demonstração anterior

Análise Térmica

Na prática, o pistão é um dos componentes mais solicitadostermomecanicamente. Ele recebe uma carga mecânica etérmica dos gases da combustão (topo) e precisarapidamente dissipar este calor através dos anéis (grooves)e do óleo que é utilizado na lubrificação da saia.A fim de conhecer a distribuição de temperatura no pistão, énecessário saber como ele troca calor, basicamente, porcondução e convecção. Precisamos saber os H’s e T’s, ouHTCs, como são mais conhecidos (coeficiente de película etemperatura). Esse conhecimento nos é trazido através deuma simulação CFD ou através de testes de laboratóriocom a devida instrumentação (termo pares).

TOPO

SAIA

LANDS

LANDS

LANDS

GROOVES

1. Como nas análises anteriores, o usuário deverá informar ao software o tipo de análise que ele deseja avaliar (Steady-State é a tradução de regime permanente).

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O ponto de interrogação indica a necessidade deindicarmos as condições de contorno ecarregamento, além da indicação dos resultadosque desejamos pós-processar.

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Temperatura de Referência

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Análise Térmica

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

A temperatura deste mesmo filme é da ordemde 800 graus. Alguns graus a menos que atemperatura média dos gases que entraram emcombustão na câmara.

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3

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Análise Térmica

Análise Térmica

Sucessivamente o usuário continua a informar os coeficientesde película e temperaturas de filme para todas as regiões docomponente. Nos canaletes, o pistão tem ajuda dos anéis paradissipar calor e nas demais regiões, ele tem a ajuda do filme deóleo lubrificante, cuja função primária é garantir que não hajacontato metálico entre pistão e cilindro.

5

5

Análise Térmica

Componente Faces Qtd.

Coef. película (W/mm²)

Temp. limite (ºC)

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

Análise Térmica

Requisitando o campo térmico comoresultado de pós-processamento. Esteresultado não precisa ser solicitado apriori, mas pelo menos uma soluçãoprecisa ser indicada como desejável.

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Análise Térmica 7. Nas figuras abaixo tem-se como resultado as temperaturas em todas as regiões do pistão comoconseqüência dos coeficientes de troca de calor que inserimos anteriormente. Esses coeficientespoderão sofrer alterações sempre que, num teste de laboratório com termopares, forem detectadosvalores não conformes com os obtidos numericamente. Teríamos, assim,um trabalho de correlação deresultados.

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Análise Modal

Restrições devido aos mancais centrais do bloco do motor

Fixação no Volante

1. Importação da Geometria2. Malha (refinamento)3. Definição do Tipo de Análise (Modal)4. Definição das Propriedades do Material 5. Restrições e Carregamentos 6. Número de modos presentes na resposta7. Processamento8. Análise dos Resultados



Idênticas ao caso anterior, com

exceção do carregamento

Segunda DEMO: Análise Modal

3. A escolha do tipo de análise segue o mesmo padrão. No menu superior, comoindicado. (1)Neste ponto o usuário precisa informar os modos de interesse. Se a análise élivre-livre (ou seja, sem condições de contorno) então os seis primeiros modos sãomovimentos de corpo rígido, com freqüências nulas associadas aos modos devibrar. Neste caso, sugere-se inserir 10 ou 12 modos. (2)

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Definição do Tipo de Análise

Solicitação das Respostas6. Como indicado em (1), o usuário deverá requisitar as soluções. No caso,

deslocamentos totais. Na análise modal esses deslocamentos não podem serinterpretados de forma absoluta. O conjunto de deslocamentos nodais dará aousuário uma idéia sobre o modo de vibrar do componente associado àfreqüência solicitada.

7. Determine o n° de modos que a análise deverá fornecer no pós processamento(3) . Clique em <SOLVE>.

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Análise dos Resultados

Neste espaço fica indicado o valor da freqüênciaassociado ao modo solicitado. No caso em questão, onono modo de vibrar.

Os resultados mostrados na legenda só farão sentido a partir de umaanálise harmônica, onde serão indicados os carregamentosharmônicos atuantes no componente.


Análise Harmônica

1. Importação da Geometria2. Malha (refinamento)3. Definição do Tipo de Análise (Harmônica)4. Definição das Propriedades do Material 5. Restrições e Carregamentos 6. Processamento7. Análise dos Resultados


Idênticas ao caso anterior, com

exceção do Momento

Restrições devido aos mancais centrais do bloco do motor

Fixação no Volante

Momento

Definição do Tipo de Análise3. Utilizaremos como referência os dados obtidos na Análise Modal . Para iniciar vá

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

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5. Após a escolha do tipo da análise ,insira em <Analysis Settings> (1) o valordesejado para o Range Máximo e Mínimo (2) . Neste exemplo , utilizaremos um rangeque engloba a freqüência do primeiro modo de vibrar, obtido na análise Modalanteriormente realizada, cerca de 380 Hz. Nosso Range Máximo terá o valor de1000Hz (3)


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Definição das Restrições e CarregamentoO que muda da análise modal para a harmônica é a presença de uma solicitação harmônica. As restrições são mantidas. Acrescentaremos um momento na extremidade do virabrequim. Para inserir o Momento Torçor clique em <Harmonic Response> (1) , em seguida acione o ítem <INSERT> (2), <Moment> (3), depois determine a direção e a intensidade do momento (4)

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Solicitação das Respostas Em <Analysis Settings> (1) defina o Range de Freqüências que será estudado e on° de intervalos solicitados (2) .O n° de soluções requisitada será determinado pelousuário, como já demonstrado anteriormente . Em seguida insira o comando<Frequency Response> (3), definindo a orientação do eixo em que será feita aanálise. Insira resposta a freqüência para tensão e deformação através daamplitude (4) como ítem de saída. Clique em solve.

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

Análise Modal

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Análise Harmônica2

FADIGA

Pressão de Combustão

1. Numa análise de fadiga faz-se necessária a determinação dos campos de tensão a queo(s) componente(s) estará(ão) submetido(s). A natureza destes campos pode ser térmica,termomecânica, dinâmica, etc. No caso a seguir, iremos aplicar uma carga de 27053N naspontas do pino, como indicado, simulando a pressão dos gases da combustão. E nasequência analisaremos apenas o comportamento à fadiga da biela.

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

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

FADIGA

Tendo especificado uma análise estática, como descrito nos slides anteriores, faz-senecessário inserir o “Fatigue Tool” (1), como indicado abaixo, e especificar as condições doteste (2). A seguir mostraremos detalhes de como isso pode ser feito.

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FADIGA

Na janela de detalhes, em (1), é necessárioespecificar as condições do teste. “Zerobased”, como mostrado ao lado, se refere auma condição na qual o segundocarregamento é nulo, fazendo com que amédia e a alternada sejam iguais em módulo.

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Em (2) o usuário escolhe a metodologia decálculo. Estão disponíveis: Metodologia SN(stress life) e metodologia Epsilon-N (strainlife). A metodologia SN, superficialmentefalando, é apropriada para alto número deciclos, HCF (high cycle fatigue), e ametodologia Epsilon-N é apropriada paravidas curtas, LCF (low cycle fatigue).

FADIGA

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Em (3) é preciso indicar ao software oalgoritmo a ser utilizado para correção dascargas médias. Goodman, mostrado ao lado,é o mais utilizado na prática. Sodeberg é omais conservador e a parábola de Gerber éa mais próxima do comportamento real dosmetais.

Nos estados multiaxiais de tensão é precisoestabelecer um parâmetro único (umavariável) que resuma o estado triaxial detensões. Na prática tem-se utilizado bastantea componente “Signed Von Mises”, que nadamais é do que a tensão equivalente de VonMises com o sinal da maior tensão principaldo tensor de alternadas. Positivo, caso a

maior principal for trativa (σ1). Negativo,

caso a maior principal for compressiva (σ3).

FADIGA

1. Do ponto de vista da biela, o que importa, realmente, é a pressão de contato exercidapelo pino, como indicado abaixo. Considerando a pressão de combustão de 100bar e odiâmetro de 83mm do pistão, a força exercida é de 27053N em cada extremidade do pino.

F=27053N

2. Com este carregamento, o campo detensões pôde ser determinado.

Concentração de tensão epossível ponto de iniciaçãode trinca.

F=27053N

FADIGA

Neste exemplo simulado, a determinação da vida Biela ficou entre 1e6 Ciclos , isto significaque a Biela não enfrentará o processo de fadiga , entretanto o pino , quando atingir cercade 8588 ciclos , a sua extremidade estará propicia ao aparecimento de Trincas , que com opassar do tempo ocorrerá a Fadiga por Completo

FADIGA

Sexta DEMO: Cinematismo 1. Numa demonstração de cinematismo faz-se necessária a determinação dos camposvetoriais de cada parte do sistema, como velocidades e acelerações lineares e angulares.No caso a seguir, iremos aplicar na junta universal uma velocidade angular de 1rad/s noeixo de entrada e estudar o comportamento cinemático e dinâmico no eixo de saída.

Eixo de entrada

Eixo de saída

Sexta DEMO: Cinematismo

1. Para o início da análise insira <RIGID DYNAMICS> (1), e em seguida em<GEOMETRY> para transformar todos os componentes envolvidos de FLEXIBLEpara RIGID (3).

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Sexta DEMO: Cinematismo2. Em seguida devemos criar um Sistema de Coordenadas Cilíndrico. Com umclique em Coordinate System (1), insira um novo sistema de coordenadas eescolha o tipo de coodenada, neste caso <Cilindrical> (2), indicando a origem (3)(neste caso o mancal abaixo em verde) e a direção do eixo Z (axial).

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Em seguida, devemos alinhar o eixo de Coordenada Cilindrica com o eixo domancal. Para isto direcione o eixo através do Geometry Selection (1), a seguirselecione a superfície aonde se encontra o sistema de coordenadas (2) e cliqueem <apply> (3) . Determine o eixo Principal de rotação . No nosso caso a rotaçãose dará em torno de Z (4)

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Sexta DEMO: CinematismoNesta etapa determinaremos todas as conexões e revoluções entre a Cruzeta eas Juntas Universais . Primeiro devemos estabelecer as revoluções que terãocomo referência o solo, para isto clique no comando <BODY-GROUND>selecionando a opção <Revolute> (1), em seguida escolha a face de revolução ,para isto vá em <MOBILE> e <SCOPE> determine as face de referência e deum <APPLY> (2) . Repita os mesmos passos para a outra haste da Juntauniversal

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Sexta DEMO: CinematismoApós determinar as primeiras referências entre as juntas e o solo , devemos determinar asreferencias, revoluções e as partes móveis entre a cruzeta e as Juntas Universais . Para istoclique em <BODY-BODY> e selecione <REVOLUTE> (1). No quadro de detalhes vocêencontrará os lugares onde deverão ser inseridos as informações de quem será a referência equem será a parte móbil do conjunto (2) .Lembre-se que esta etapa se dará por partes , ouseja , primeiro determinaremos a referencia como a junta universal e a cruzeta como a partemóbil , em seguida , a cruzeta será a referência e a outra parte da junta universal a referência

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Primeiro garfo

Cruzeta

Segundo garfo

Detalhe 1

Sexta DEMO: CinematismoApós a inserção do comando <REVOLUTE>(1), devemos dizer ao programa quem será areferência para os movimentos , neste caso, serão as duas faces dos furos que se encontram nasextremidades das juntas (2). Para a parte móbil , devemos selecionar as duas faces das ranhurasque se encontram nas extremidade da cruzeta (3) . Veja o resultado final(4). Faça o mesmoprocesso para o outro lado da junta , entretanto as ranhuras da cruzeta é que deverão ser areferencia e as faces dos furos da Junta Universal a parte Móbil

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Detalhe Junta/cruzeta

Sexta DEMO: CinematismoAo finalizar as referencias para os movimentos , temos que indicar o sentido , a intensidade e qualsuperfície se dará a o inicio do movimento . Para isto selecionaremos a superfície da haste daprimeira junta . Antes de mais nada , deve-se em <RIGID DYNAMICS> inserir o movimento, paraisto insira o comando <JOINT CONDITION>(1) , no scope selecione a referência utilizada no slideanterior, neste caso<GROUND TO SOLID> (2) que é a primeira haste da junta . Prosseguindo ,em Definition, selecione o eixo em que sedará a rotação , nosso caso em “Z” e após issodetermine o tipo e o valor da Velocidade Rotacional (3) . Veja o resultado (4)

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Sexta DEMO: CinematismoPara finalizarmos o processo de pré-processamento devemos escolher o tipo de respostas quequeremos ter. Aqui , escolheremos Velocidade Angular e Aceleração Angular . Primeiro insira o tipode Resposta, <ANGULAR VELOCITY>(1), clique na primeira parte da Junta (2) e de Um Apply(3).Faça este mesmo processo para a primeira junta , mas solicitando <ANGULARACELERATION> (4)

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Sexta DEMO: CinematismoPara finalizarmos repetiremos todo o processo que foi descrito no slide acima , entretanto , comoestaremos relatando a rotação de saída da segunda junta universal (1) , no momento da seleçãodo corpo devemos trocar o <Global Coordenate System> (2) para Coordenada Cilíndrica quecriamos no inicio do processo ( Coordenate System )(3). Faça esta mesma operação tanto para aVelocidade Angular , quanto para a Aceleração angular da Junta 2

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Sexta DEMO: CinematismoNão se esqueça de informar dentro do Analysis Settings a duração do tempo de movimento (1),basta inserir em <Step End Time> (2),o tempo estipulado. Após todo este processo clique emSolve para a resolução do problema . Este é o resultado final

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Velocidade Angular

Neste ponto verificamos como se comporta a velocidade angular . N 1° caso ela está ligada avelocidade de entrada que se faz constante . No 2° observamos a velocidade de saída que setorna inconstante

Neste ponto verificamos como se comporta a Aceleração Angular . No 1° caso ela está ligada aaceleração de entrada que se faz constante . No 2° observamos a aceleração de saída que setorna inconstante


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