Desenvolvimento e Análise Estrutural do Protótipo de um ......Keywords: Refrigerated display...

Departamento de Engenharia Mecânica

Desenvolvimento e Análise Estrutural do

Protótipo de um Expositor Refrigerado

Relatório de estágio apresentado para a obtenção do grau de Mestre em Equipamentos e Sistemas Mecânicos

Autor

Sérgio Alexandre Morais Mendes

Orientador: Doutor Luís Filipe Pires Borrego

Professor Coordenador do ISEC

Supervisor na empresa:

Engenheiro José Vieira das Neves

Coimbra, Dezembro, 2012

Dedico este trabalho aos meus pais e irmã, á minha namorada e aos meus

verdadeiros amigos, que me acompanharam nas diferentes fases da minha vida.

E também para, todos aqueles que, de uma forma ou de outa, contribuíram para

que este trabalho fosse possível.

Agradecimentos

Sérgio Mendes i

Agradecimentos Este trabalho não teria sido possível de realizar sem a colaboração de diversas pessoas

e entidades às quais eu desejo prestar aqui os meus mais sinceros agradecimentos.

Agradeço ao Grupo Mafirol e á empresa Mafirol Industria de Refrigeração, por ter

permitido a realização deste trabalho e por toda a organização se mostrar sempre disponível

para ajudar.

Ao Professor Luís Borrego, o meu orientador, agradeço a confiança em mim para a

realização deste trabalho, assim como o elevado apoio e disponibilidade que foi uma

constante durante todo o tempo que esta obra demorou a ser efetuada.

Ao Professor Luís Roseiro por toda a sua disponibilidade para esclarecimento de

algumas dúvidas que foram surgindo durante a elaboração deste documento, assim como toda

a ajuda prestada durante os ensaios que realizei no ISEC.

Ao Eng.º Ruben Amaral e António Abrantes da empresa Mafirol, por todo o

conhecimento que me transmitiram durante esta fase e continuam a transmitir todos os dias, e

por toda a disponibilidade e ajuda prestada durante a realização deste trabalho.

Ao Mateus Oliveira da empresa Mafirol, pela ajuda prestada na recolha de

informações sobre as propriedades dos materiais e por toda a disponibilidade demonstrada ao

longo deste trabalho.

Ao Eng.º António Sousa e ao Eng.º José Vieira por toda a informação cedida e por

permitir realizar este trabalho na empresa Mafirol.

Ao Eng.º José Vieira das Neves, pela orientação e conhecimentos que transmitiu ao longo do trabalho. A todo o pessoal do I&D da empresa Mafirol Industria de Refrigeração que de uma

forma ou de outra ajudaram e permitiram que este trabalho fosse possível.

Agradeço também ao Eng.º Luís Ferreira e Eng.º Pedro Mendes pela ajuda

disponibilizada na elaboração do programa de aquisição de dados.

Também agradeço aos colegas Eng.º Filipe Cruz e ao Eng.º Miguel Samarra por toda a

ajuda prestada tanto no esclarecimento de dúvidas como na nos ensaios realizados.

A todos os meus colegas e amigos que me acompanharam na minha vida académica e

que também contribuíram para que este trabalho fosse possível.

Agradecimentos

Sérgio Mendes ii

À Elisa Oliveira, agradeço toda a ajuda fornecida na formatação desta tese, mas

essencialmente pela amizade e companhia com que me brindou no decorrer destes últimos

anos. Obrigado.

Por fim, agradeço à minha família e em especial aos meus pais por todo o apoio dado

desde que me lembro de existir, e antes. A eles lhes devo “somente” tudo o que fui, sou e

serei. Obrigado.

Resumo

Sérgio Mendes iii

Resumo

No âmbito do Mestrado em Equipamentos e Sistemas Mecânicos, área de

especialização em construção e manutenção de equipamentos e sistemas mecânicos, do

Instituto Superior de Engenharia de Coimbra, foi realizado um estágio na empresa Mafirol,

Industria de Refrigeração.

Esta empresa é detida pelo grupo Mafirol na qual se dedica à conceção de expositores

refrigerados, estantaria e mesas de saída.

O estágio teve como objetivo a colaboração na elaboração de um novo protótipo e a

realização de alguns testes estruturais do referido protótipo.

As tarefas realizadas ao longo do estágio incidiram na conceção, investigação e

desenvolvimento de um novo equipamento, tendo também a surgido a possibilidade de efetuar

o acompanhamento da série zero para testes.

Ao longo do desenvolvimento do equipamento foram efetuadas várias simulações por

elementos finitos de modo a caracterizar o comportamento das consolas e dos prumos quando

estes estão sujeitos a carregamento. Posteriormente foi utilizado o protótipo para efetuar testes

experimentais.

O conjunto consolas e prumo foi ainda ensaiado no Laboratório de Mecânica Aplicada

do Instituto Superior de Engenharia de Coimbra, recorrendo às técnicas de extensometria

elétrica.

Com este trabalho foram identificados os pontos críticos, tanto nas consolas como nos

prumos. Foi ainda possível visualizar o tipo de comportamento das consolas e das prateleiras

quando sujeitas a carga excessiva. Este estudo contribuiu assim para poder melhorar o novo

equipamento a nível estrutural.

Palavras-chave: Expositores refrigerados, Protótipo, Análise estrutural, Simulação por elementos finitos, Extensometria

Abstract

Sérgio Mendes iv

Abstract Within the Masters Degree in Mechanical Equipment and Systems, specialization in

Construction and Maintenance of Equipment and Mechanical Systems, of Instituto Superior

de Engenharia de Coimbra, an internship was held at the company Mafirol, Refrigeration

Industry. This company is owned by the group Mafirol, which is dedicated to the design of

refrigerated display cases, shelving and output tables.

This internship aimed to collaborate in the development of a new prototype and in the

realization of some structural testing of the prototype.

The tasks carried out during the internship were focused on the design, research and

development of a new equipment, also emerging the possibility of accompanying the zero

series testing.

Throughout the development of the equipment several finite element simulations were

made, in order to characterize the behaviour of consoles and bobs when subjected to loading.

Afterwards the experimental prototype was used for experimental testing.

A set of console and bob was also tested at the Laboratory of Applied Mechanics of Instituto

Superior de Engenharia de Coimbra, using the electrical strain gages technique.

This study identified the structural critical points, both on consoles and in bobs.

Moreover, it was also possible identify the behaviour of consoles and shelves when subjected

to excessive loading. Therefore, this study contributed to the enhancement of the new

equipment at structural level.

Keywords: Refrigerated display cases, Prototype, Structural

analysis, Finite element , simulation, Extensometry

Índice

Sérgio Mendes v

ÍNDICE Índice de Figuras ................................................................................................................ vii

Índice de Tabelas ................................................................................................................ ix

Simbologia e Siglas ............................................................................................................... x Simbologia ..................................................................................................................................... x

Capítulo 1. Introdução ................................................................................................. 1 1.1. Âmbito do Estágio ........................................................................................................... 1 1.2. Plano de Trabalho ........................................................................................................... 2 1.3. Estrutura do Relatório .................................................................................................... 2

Capítulo 2. Expositores Refrigerados .......................................................................... 4 2.1. Introdução ....................................................................................................................... 4 2.2. Expositores Refrigerados ................................................................................................ 4

2.2.1. Expositores Verticais ou “Murais”................................................................................. 5 2.2.2. Expositores Horizontais ou “Ilhas” ................................................................................ 7 2.2.3. Vitrinas ......................................................................................................................... 8

2.3. Componentes que Constituem um Expositor Refrigerado............................................10 2.4. Grupo Mafirol ................................................................................................................12 2.5. Mafirol - Indústria de Refrigeração ..............................................................................13

Capítulo 3. Fluxograma da Produção da Empresa Mafirol – Industria de Refrigeração 15

Capítulo 4. Projetos e Tarefas Realisadas ao Longo Do Estágio .............................. 21 4.1. Desenvolvimento do Protótipo Antartic ........................................................................21 4.2. Ensaio do Protótipo ........................................................................................................27

4.2.1. Introdução ....................................................................................................................27 4.2.2. Metodologia do Ensaio.................................................................................................28 4.2.3. Resultados ...................................................................................................................30

4.3. Simulação pelo Método dos Elementos Finitos ..............................................................32 4.3.1. Introdução ....................................................................................................................32 4.3.2. Método de Elementos Finitos .......................................................................................32 4.3.3. Metodologia de Análise................................................................................................36 4.3.4. Resultados ...................................................................................................................39

4.4. Ensaio Laboratorial .......................................................................................................48 4.4.1. Introdução ....................................................................................................................48 4.4.2. Extensometria Fundamental .........................................................................................48 4.4.3. Metodologia de Ensaio Experimental ...........................................................................52 4.4.4. Resultados ...................................................................................................................57

Capítulo 5. Conclusões e Trabalhos Futuros ............................................................... 64

Capítulo 6. Referências Bibliográficas ...................................................................... 66

ANEXOS ............................................................................................................................ 67 Anexo A- Características técnicas do Protótipo ............................................................................68

Índice

Sérgio Mendes vi

Anexo B-Características do Material ............................................................................................73 Anexo C-Programa Elaborado em Labview ..................................................................................74 Anexo D- Características da Roseta ..............................................................................................75 Anexo E- Características do Extensómetro ...................................................................................76 Anexo F- Características do Transdutor Linear .............................................................................77 Anexo G- Características da Célula de Carga ................................................................................80

Índice de Figuras

Sérgio Mendes vii

ÍNDICE DE FIGURAS Figura 2.1-Exemplos de Murais lácteos-charcutaria [13] ........................................................ 5 Figura 2.2-Mural Híper FVD [13] .......................................................................................... 6 Figura 2.3- Mural Plug-in [13] [14] ........................................................................................ 6 Figura 2.4- Exemplo de uma Ilha [13] .................................................................................... 7 Figura 2.5- Exemplo de várias disposições de Ilhas no Supermercado [13] ............................. 7 Figura 2.6-Exemplo de uma Vitrina [13] ................................................................................ 8 Figura 2.7- Tipo de refrigeração aplicada em Vitrinas ............................................................ 9 Figura 2.8-Partes constituintes de um expositor .................................................................... 10 Figura 2.9- Prumos e consolas dos Expositores Refrigerados ............................................... 11 Figura 2.10- Mafirol Lisboa [13] .......................................................................................... 12 Figura 2.11-Fluxograma organizacional da empresa Mafirol ................................................ 13 Figura 2.12- Mafirol - Indústria de Refrigeração .................................................................. 13 Figura 3.1- Armazéns de componentes e de chapa ................................................................ 15 Figura 3.2- ERP Microsoft Dynamics NAV ......................................................................... 16 Figura 3.3- Zona de maquinação (puncionadeira finn power e quinadeira adira) ................... 16 Figura 3.4- Zona de maquinação .......................................................................................... 17 Figura 3.5- Exemplo dos orifícios de enchimento ................................................................. 17 Figura 3.6- Máquina de enchimento de poliuretano e esquema de funcionamento [8] ........... 18 Figura 3.7- Operários a efetuarem soldadura dos componentes constituintes do frio do equipamento ........................................................................................................................ 19 Figura 3.8- Equipamento em ensaios térmicos ...................................................................... 20 Figura 4.1- Corte do equipamento desenvolvido ................................................................... 22 Figura 4.2- Cuba Protótipo Antartic ..................................................................................... 22 Figura 4.3- União antiga entre a cuba e as costas do equipamento ........................................ 23 Figura 4.4- Nova união do protótipo Antártic ....................................................................... 24 Figura 4.5- Evolução do prumo ............................................................................................ 24 Figura 4.6- Controladores: a) carel PJEZ, b) Carel MPXpro [3]........................................... 25 Figura 4.7- Equipamento finalizado ..................................................................................... 26 Figura 4.8- Exemplo de problemas provocados pela carga excessiva aplicada nos equipamentos ....................................................................................................................... 27 Figura 4.9-Pesagem dos garrafões ........................................................................................ 28 Figura 4.10- Carga 600N distribuída uniformemente pela prateleira ..................................... 29 Figura 4.11- Carga 900N distribuída uniformemente pela prateleira ..................................... 29 Figura 4.12-Representação da rotura da consola quando atingido o limite de carga ............. 30 Figura 4.13-Problemas que ocorrem quando existe rotura da consola ................................... 31 Figura 4.14- Princípio de funcionamento software cosmos [2] [9] ........................................ 32 Figura 4.15-Identificação dos constituintes da malha [9] ...................................................... 33 Figura 4.16- Elemento sólido linear e Elemento sólido parabólico [6] .................................. 33 Figura 4.17-Elemento triangular linear e Elemento triangular parabólico [6] ........................ 34 Figura 4.18- Placa com vários tipos de elementos ................................................................ 35 Figura 4.19- Consola com carga aplicada e restrições ........................................................... 37 Figura 4.20-Prumo com restrições e com a carga aplicada .................................................... 38

Índice de Figuras

Sérgio Mendes viii

Figura 4.21- Tipos de contactos globais ............................................................................... 38 Figura 4.22- Zona de concentração de tensões no primeiro dente da consola. ....................... 41 Figura 4.23- Primeiro dente da consola com outro tipo de fixação. ....................................... 41 Figura 4.24- Malha gerada na zona do primeiro dente da consola. ........................................ 42 Figura 4.25- Malha utilizada na consola com carga de 300N ................................................ 43 Figura 4.26- Valores de tensões de tensões obtidas ao longo do primeiro dente da consola (carga 300N) ........................................................................................................................ 44 Figura 4.27- Zona de elevados valores de tensão no primeiro dente da consola (carga 300N) 44 Figura 4.28- Malha utilizada no ensaio do conjunto prumo mais consolas ............................ 45 Figura 4.29- Análise por elementos finitos, prumo mais consola (carga150N) ...................... 47 Figura 4.30- Primeiro dente da consola no ensaio do conjunto prumo mais consola (carga 150 N) ........................................................................................................................................ 47 Figura 4.31- Constituintes de um Extensómetro. [15] ........................................................... 49 Figura 4.32-À esquerda Roseta Retângular, à direita Roseta triangular [16].......................... 49 Figura 4.33-Representação da localização dos extensómetros de uma roseta (A, B e C) e os respetivos ângulos em relação ao sistema de eixo ................................................................. 50 Figura 4.34-Representação do cálculo da tensão equivalente VonMises para qualquer ponto de um material. .................................................................................................................... 51 Figura 4.35-Bastidor com todos os sensores e a consola e o prumo ...................................... 52 Figura 4.36 - Transdutor Linear Resistivo ............................................................................ 53 Figura 4.37 - (a) Extensómetro e (b) Roseta usados no ensaio .............................................. 53 Figura 4.38- Célula de carga utilizada .................................................................................. 54 Figura 4.39- Atuador pneumático ......................................................................................... 55 Figura 4.40- Válvulas distribuidoras de caudal ..................................................................... 55 Figura 4.41- Transdutor linear resistivo MegaTron RC13-75-G-1 ........................................ 56 Figura 4.42-Fonte de alimentação Velleman Ps-613 ............................................................. 56 Figura 4.43- Características do modelo de elementos finito utilizado para simular o ensaio experimental ........................................................................................................................ 60 Figura 4.44- Aspeto da malha utilizada ................................................................................ 60 Figura 4.45- Valor da tensão Normal obtida na análise de elementos finitos na zona do extensómetro ........................................................................................................................ 61 Figura 4.46- Ensaio elementos finitos zona da roseta ............................................................ 62

Índice de Tabelas

Sérgio Mendes ix

ÍNDICE DE TABELAS Tabela 1.1-Cronograma temporal das fases constituintes do estágio ....................................... 2 Tabela 4.1- Resultados experimentais .................................................................................. 30 Tabela 4.2-Propriedades do Material da consola e dos Prumos ............................................. 36 Tabela 4.3-Resultdados da análise da consola com 150 N de carga aplicada ......................... 39 Tabela 4.4- Dado do ensaio da consola com varias cargas .................................................... 42 Tabela 4.5- Dados dos vários ensaios do conjunto prumo mais consolas .............................. 45

Introdução

Sérgio Mendes x

SIMBOLOGIA E SIGLAS

Simbologia

σR- Tensão de rotura

σC-Tensão de cedência

σVonMises-Tensão de VonMises

A80 % min-Alongamento na rotura

εxx- Extensão principal na direção x

εyy- Extensão principal na direção y

γxy- Distorção no plano x-y

θ- Ângulo

τmax- Tensão de corte Máximo

Introdução

Sérgio Mendes 1

CAPÍTULO 1. INTRODUÇÃO

No contexto global da indústria, os métodos computacionais são extremamente

importantes para o desenvolvimento, melhoramento e teste de novos produtos. É através

destes métodos, como por exemplo os elementos finitos, que se efetua a validação de alguns

testes específicos, permitindo assim a poupança de tempo e de dinheiro.

Na indústria da refrigeração este método tem vindo cada vez mais a ganhar terreno,

uma vez que as empresas têm de se mostrar mais competitivas e têm de ser capazes de

elaborar novos produtos no menor espaço de tempo. Conjugando os testes experimentais com

as simulações computacionais, obtêm-se um resultado final de um produto com maior

qualidade e mais competitivo, permitindo assim um maior grau de satisfação por parte dos

clientes.

No entanto, na indústria portuguesa ainda existe alguma rejeição á utilização destes

métodos de simulação numérica devido á falta de conhecimento dos seus benefícios, mas

também em alguns casos devido aos grandes valores monetários que pode exigir a aquisição

dos softwares necessários.

A indústria de refrigeração alimentar tem vindo a evoluir a cada ano devido às grandes

exigências implementadas pelos mercados. Assim, este tipo de indústria tem de ter uma

grande capacidade de adaptação às exigências dos clientes, elaborando novos produtos no

menor espaço de tempo, cumprindo todas as regras e normas exigidas.

É indiscutível que a combinação das novas tecnologias com o vasto know de uma

organização contribui para o desenvolvimento de um produto melhor.

1.1. Âmbito do Estágio

O presente estágio insere-se no âmbito do Mestrado em Equipamentos e Sistemas

Mecânicos do Instituto Superior de Engenharia de Coimbra tendo como principal objetivo

proporcionar a consolidação da formação académica e o desenvolvimento de competências

técnicas e profissionais em contexto real de trabalho.

Introdução

Sérgio Mendes 2

Para a conclusão deste objetivo contou-se com o apoio da Empresa Mafirol - Indústria

de Refrigeração, que possibilitou a realização deste estágio nas suas instalações.

1.2. Plano de Trabalho

De acordo com a disponibilidade e necessidades da empresa Mafirol, entidade

acolhedora do estágio, foram definidas as seguintes fases para o estágio, considerando um

volume total de 1560 horas de trabalho:

Fase 1: Acolhimento e formação de âmbito geral;

Fase 2: Formação em equipamentos, específicos e de todo o processo fabril;

Fase 3: Montagem e acompanhamento de protótipos, ensaios laboratoriais e de

elementos finitos;

Fase 4: Elaboração do relatório final.

O Cronograma apresentado na Tabela 1.1, mostra a distribuição temporal das fases constituintes do plano de estágio.

Tabela 1.1-Cronograma temporal das fases constituintes do estágio

1.3. Estrutura do Relatório

O presente relatório está dividido em cinco capítulos. No capítulo atual é apresentado

o fundamento deste trabalho, apresentado genericamente o trabalho desenvolvido, sendo

também apresenta a estrutura do presente relatório.

Mês Nov. Dez. Jan. Feb. Mar. Abr. Mai. Jun. Jul. Set. N.º horas 144 96 176 152 176 144 168 152 176 176

Fase 1 X Fase 2 X X Fase 3 X X X X X X X Fase 4 X X X X

Introdução

Sérgio Mendes 3

No capítulo 2 é efetuada uma breve apresentação do que são expositores refrigerados e

os seus constituintes, sendo também apresenta de forma resumida o grupo Mafirol e a sua

organização.

No capítulo 3 efetua-se uma descrição mais pormenorizada do processo fabril da

empresa Mafirol Industria de Refrigeração.

No capítulo 4 são apresentadas as tarefas realizadas ao longo do estágio, metodologias

utilizadas, e os resultados delas retiradas.

O capítulo 5 apresenta as conclusões gerais do trabalho realizado, assim como

algumas sugestões de trabalhos ou projetos futuros.

Fluxograma da Produção da Empresa Mafirol

Sérgio Mendes 4

CAPÍTULO 2. EXPOSITORES REFRIGERADOS

2.1. Introdução

Nos últimos 30 anos, a escolha do consumidor foi transformada pela evolução da

produção, distribuição e venda a retalho de alimentos, que juntamente com a evolução do

design, contribuíram para uma grande mudança no estilo de vida atual.

Apesar de alguns alimentos vendidos a partir de expositores refrigerados já se

encontrarem disponíveis há muitos anos, foi durante a década de 70 que uma maior

quantidade de produtos se tornou disponível. Durante os anos 80, os inúmeros avanços

tecnológicos na produção de alimentos e armazenamento causaram a multiplicação do número

e variedade de produtos disponíveis.

A base do setor alimentar refrigerado é a disponibilidade de armazenamento e

exibição em expositores suportada por uma estrutura de distribuição de produtos, a qual foi

estimulada pelos supermercados de self service no Reino Unido na década de 50. O

crescimento do setor a partir de 1960 e ao longo da década de 70 apoiou a expansão da gama

de produtos de alimentos refrigerados e congelados.

Todas estas mudanças tecnológicas que tem surgido nas últimas décadas e a forma

como os produtos alimentares são expostos para venda nos supermercados demonstra que

existe agora uma exigência muito importante para este tipo de equipamentos. Assim, para

além de terem de desempenhar o seu papel, manterem os vários produtos dentro das gamas de

temperatura desejada, também tem a função de vender os produtos, apresentando-os nas

melhores condições [4].

2.2. Expositores Refrigerados

Os expositores refrigerados que se encontram no mercado podem ter diferentes formas

e apresentar diversos acessórios, dependendo do tipo de aplicação a que estes se destinam.

Os expositores refrigerados podem dividir-se em três grandes grupos:

- Expositores verticais ou “murais”;

- Expositores horizontais ou “Ilhas”;

- Vitrinas


Sérgio Mendes 5

Estes são essencialmente os três grandes grupos que encontramos num supermercado

ou mesmo numa pequena loja.

2.2.1. Expositores Verticais ou “Murais”

A principal característica deste tipo de equipamento é apresentarem uma ampla área

de exposição em módulo self-service. É um tipo de equipamento que se encontra preparado

para aceitar produtos como lácteos, talho e charcutaria, frutas e legumes e produtos

congelados, ou até mesmo possuírem características multifuncionais como é possível

visualizar nas imagens apresentados na Figura 2.1.

Figura 2.1-Exemplos de Murais lácteos-charcutaria [13]

Este tipo de equipamento pode ser ainda dividido em dois sub-grupos:

-Expositores verticais ou “murais” linha Hiper (vd. Figura 2.2);

- Expositores verticais Plug-in ou “murais” linha Plug-in (vd. Figura 2.3).

A linha Híper é constituída por equipamentos de grandes dimensões que normalmente

se destinam a grandes superfícies comerciais. Tem a principal característica de não apresentar

grupo de refrigeração sendo este tipo de equipamentos ligados a uma central refrigeradora de

grandes dimensões instalada no exterior do supermercado.


Sérgio Mendes 6

Figura 2.2-Mural Híper FVD [13]

A linha Plug-in é constituída por equipamentos geralmente de menores dimensões,

destinados a pequenas lojas ou pequenas superfícies comerciais, o que representa a maioria

das lojas portuguesas. No entanto os equipamentos deste tipo também são usados nas grandes

superfícies.

A grande vantagem deste tipo de equipamentos é apresentarem um grupo de

refrigeração incorporado, o que significa que o cliente adquire um equipamento que é um

produto final, não sendo necessário mais acessórios ou trabalhos de instalação significativos

para que o equipamento fique pronto a funcionar.

Figura 2.3- Mural Plug-in [13] [14]


Sérgio Mendes 7

2.2.2. Expositores Horizontais ou “Ilhas”

Os expositores Horizontais ou “Ilhas”(vd. Figura 2.4) são equipamentos projetados

para aproveitar espaços livres. São equipamento de exposição horizontal destinada à venda de

produtos alimentares em regime de self-service. Encontram-se disponíveis no mercado em

versões para temperaturas positivas (conservação de produtos alimentares frescos) e para

baixas temperaturas (produtos elementares congelados).

Este tipo de equipamentos encontra-se na maioria nas grandes superfícies, sendo

possível por vezes serem vistos em lojas de menor dimensão.

Caracteriza-se por permitirem um grande volume de carga ocupando pouco espaço.

Tal como acontece com os expositores verticais podem existir diferentes tipos de

equipamentos dependendo dos clientes e do próprio fabricante (vd. Figura 2.5). Geralmente

estes equipamentos estão ligados a uma rede frigorífica, a que por sua vez se encontra ligada a

uma central frigorífica externa.

Figura 2.4- Exemplo de uma Ilha [13]

Figura 2.5- Exemplo de várias disposições de Ilhas no Supermercado [13]


Sérgio Mendes 8

2.2.3. Vitrinas

As Vitrinas são equipamentos pelos quais somos capazes de passar todos os dias,

sendo dos equipamentos mais difundidos pelas superfícies comerciais. São equipamentos

indicadas para a exposição e conservação de produtos de pastelaria e bar, talho e charcutaria,

peixaria, etc.

Os diversos fabricantes oferecem uma grande variada de vitrinas, em alguns casos com

um design inovador que permite dar um espírito próprio ao estabelecimento, contribuindo

para que o cliente se sinta num espaço acolhedor.

Os diferentes modelos de Vitrinas são ideais para pequenas lojas especializadas porque

permitem um relacionamento ótimo entre a superfície ocupada e a área de exposição. Este

tipo de expositor geralmente é fechado e apresenta uma ampla área de visibilidade dos

produtos alimentares como mostrado na Figura 2.6.

No caso do armazenamento de produtos frescos, é necessário ter em consideração as

características da Vitrina, nomeadamente em termos do funcionamento através de refrigeração

estática ou ventilada.

Figura 2.6-Exemplo de uma Vitrina [13]


Sérgio Mendes 9

2.2.3.1. Vitrina com refrigeração estática

A Vitrina com refrigeração estática apresenta a vantagem de não contribuir para

ressequir os alimentos frescos. Como a recirculação do ar no interior da área de exposição é

natural, não há necessidade de ventiladores e o evaporador poderá ser colocado em diversos

locais, dependendo do tipo de produto, no topo do expositor, no caso de o equipamento

funcionar com refrigeração estática por gravidade. Como alternativa, o evaporador

normalmente de grandes dimensões, poderá ser instalado por baixo do tabuleiro ou na zona

posterior da Vitrina, ocupando assim área que de outra maneira estaria disponível para

exposição, como é possível ver na Figura 2.7.

Figura 2.7- Tipo de refrigeração aplicada em Vitrinas

2.2.3.2. Vitrina com refrigeração ventilada

A Vitrina com refrigeração ventilada apresenta a desvantagem de secar o produto mais

rapidamente e ter um consumo energético superior, no entanto apresenta uma resposta a nível

de refrigeração muito superior. Adicionalmente, ao possuir o evaporador no fundo do

equipamento, a área de exposição aumenta e possibilita diversas configurações de colocação

de prateleiras, como é possível ver na Figura 2.7, o que acaba por beneficiar a

comercialização dos produtos alimentares.


Sérgio Mendes 10

2.3. Componentes que Constituem um Expositor Refrigerado

Como foi referido anteriormente existem diversos tipos de expositores e vitrinas

refrigerados para diferentes fins, mas os componentes que constituem estes equipamentos

são semelhantes. A Figura 2.8 apresenta os principais constituintes deste tipo de

equipamentos.

Nr. Discrição Nr. Discrição 1 Teclado + placa eletrónica 9 Compressor 2 Interruptor iluminação 10 Condensador 3 Interruptor geral 11 Ventiladores 4 Balastro 12 Aparadeira 5 Lâmpadas 13 Resistências 6 Tubo policarbonato 14 Serpentina aparadeira 7 Evaporador 15 Filtro 8 Motor C Cuba A Prumos D Costas do Equipamento B Consolas

Figura 2.8-Partes constituintes de um expositor

D

B

A

C


Sérgio Mendes 11

A Prumo central

Prumo Lateral

B

Consola

Na Figura 2.9 são aprestados isoladamente os prumos (A) e as consolas (B) indicados

na Figura 2.8 de modo a ter uma melhor visualização da sua geometria, uma vez que estes

dois componentes serão estudados mais pormenorizadamente no capítulo 4.

Figura 2.9- Prumos e consolas dos Expositores Refrigerados


Sérgio Mendes 12

2.4. Grupo Mafirol

O grupo Mafirol dedica-se ao desenvolvimento, produção, comercialização e instalação

de equipamentos para a exposição e venda dos mais diversos produtos, nomeadamente na

distribuição alimentar e hotelaria. O grupo apresenta uma estrutura ajustada ao mercado,

garantindo uma adequada proximidade ao cliente e conhecendo as suas reais necessidades, o

que permite conceber, desenvolver e aperfeiçoar diversos produtos e serviços

A Mafirol - Indústria de Equipamentos SA, foi criada em 1965, em Águeda, e é a

primeira unidade fabril do grupo, dedica-se ao desenvolvimento e produção de estanteria

metálica, mesas de saída e mobiliário em inox.

A Mafirol - Equipamentos Comerciais, SA apresenta-se como sendo o braço comercial

do grupo para o território nacional, estando presente em seis cidades, Lisboa, Porto, Águeda,

Leiria, Braga e Viseu, onde presta diversos serviços que englobam o projeto de

implementação dos equipamentos, a venda, a montagem e posterior manutenção e

assistência técnica.

Figura 2.10- Mafirol Lisboa [13]


Sérgio Mendes 13

Na Figura 2.11 é apresentado o fluxograma organizacional do Grupo Mafirol.

Figura 2.11-Fluxograma organizacional da empresa Mafirol

2.5. Mafirol - Indústria de Refrigeração

A Mafirol - Indústria de Refrigeração (Figura 2.12) dedica-se à conceção e produção de

móveis refrigerados (vitrinas, murais, balcões, retrobares e ilhas) para a exposição,

conservação e comercialização de produtos alimentares.

Figura 2.12- Mafirol - Indústria de Refrigeração


Sérgio Mendes 14

A Mafirol dispõe de recursos próprios na área de I&D que garantem não só uma correta

resposta às exigências e tendências de mercado como também o desenvolvimento e teste de

soluções inovadoras. Para além disso, a empresa investe também regularmente em

equipamentos de tecnologia avançada que permitem, por exemplo, a adoção de processos

automatizados de fabrico.

A empresa, exporta cerca de 70% dos seus produtos e serviços, mantém relações

comerciais em mais de trinta países através de parcerias com distribuidores e instaladores.

Tudo isto acelerou o processo de crescimento da empresa quer a nível nacional quer

internacional, levando a que em 1997 a Mafirol sentiu a necessidade de implementar um

Sistema da Qualidade reconhecido pela associação Portuguesa de Certificação.

Em 2001, destituiu-se a estrutura empresarial formada até então e surge uma gestão

empresarial com vista a consolidar a sua marca e a conseguir responder mais eficazmente às

solicitações do mercado cada vez mais exigente e competitivo.


Sérgio Mendes 15

CAPÍTULO 3. FLUXOGRAMA DA PRODUÇÃO DA EMPRESA MAFIROL – INDUSTRIA DE REFRIGERAÇÃO

Neste capítulo vai ser feito uma breve apresentação do fluxo de produção de um

expositor refrigerado na empresa Mafirol.

O processo de fabrico é iniciado com a chegada das encomendas ao departamento de

planeamento e controlo. Este departamento, depois de recebidas as encomendas provenientes

dos agentes comerciais, emite as ordens de produção. É a partir deste departamento que são

emitidas as ordens de fabrico dos componentes que constituem todos os produtos que a

Mafirol indústria de refrigeração produz.

Simultaneamente, são emitidos ordens que se destinam a dar indicação ao armazém de

stocks (vd. Figura 3.1), identificando as peças a serem fornecidas às linhas de montagem.

Figura 3.1- Armazéns de componentes e de chapa

A partir das ordens de produção, o sistema informático verifica se existe stock de

peças para efetuar os referidos componentes. Quando não existe stock disponível o sistema

informa o departamento de compras para efetuar a encomenda do material necessário para

satisfazer a encomenda. Toda esta informação é gerida pelo software ERP Microsoft


Sérgio Mendes 16

Dynamics NAV (Navision) (Figura 3.2) que é comum a toda a organização e a todos os

departamentos.

Figura 3.2- ERP Microsoft Dynamics NAV

Após a receção da ordem de produção, o departamento de produção dá início ao

processo de produção do equipamento. Através de várias máquinas, como quinadeiras,

puncionadoras e equipamentos de CNC, como os apresentados na Figura 3.3 e Figura 3.4, são

produzidas os diferentes componentes estruturais que constituem os diferentes produtos

produzidos.

Figura 3.3- Zona de maquinação (puncionadeira finn power e quinadeira adira)


Sérgio Mendes 17

Orifício de enchimento

Figura 3.4- Zona de maquinação

Na zona do enchimento inicia-se o processe de fabrico das cubas, partes inferiores dos

equipamentos, das laterais (quando estas são isoladas), das costas e da parte superior dos

equipamentos. Para esta tarefa ser possível cada tipo de peça produzida tem moldes

específicos.

Nesta zona são recebidas as chapas já trabalhadas pelo departamento de produção na

qual a lâmina inferior do painel a ser produzido é colocada na parte inferior do molde. O

molde deve ser suficientemente rígido devido às elevadas pressões atingidas durante a

formação da espuma. A lâmina superior fica na posição pretendida, apoiada em espaçadores.

É também nesta fase que são aplicados os perfis de madeira nos bordos da peça a produzir.

Após o molde estar fechado procede-se à pulverização da quantidade exata de espuma

no interior do molde através de uma agulheta introduzida nos orifícios de enchimento que

podem ser vistos na Figura 3.5.

Figura 3.5- Exemplo dos orifícios de enchimento


Sérgio Mendes 18

Após a introdução da espuma de poliuretano, utilizando o equipamento apresentada na

Figura 3.6 cuja operação demora apenas alguns segundos, o painel é deixado no molde

durante alguns minutos, podendo então ser removido e o molde preparado para a execução do

painel seguinte. Uma das vantagens deste método é a possibilidade de produção de painéis

com formas complexas. No entanto, trata-se de um processo relativamente lento.

A espuma é obtida através da mistura de dois componentes líquidos com determinados

ativadores e um agente difusor que controla a reação. Durante a mistura, dá-se uma reação

química que transforma o líquido em espuma, que começa rapidamente a expandir e, por fim,

endurece.

Figura 3.6- Máquina de enchimento de poliuretano e esquema de funcionamento [8]


Sérgio Mendes 19

Ao mesmo tempo que este processo vai decorrendo, na secção de pré-montagem vão

sendo montados os diferentes componentes que fazem partes dos equipamentos que são

produzidos pela fábrica. Nesta secção são assemblados componentes como sistemas de

ventilação, sistemas de iluminação, sistemas elétricos e também são montados os grupos de

compressores. Posteriormente todos estes componentes são transportados até às linhas de

montagem, onde se encontram vários trabalhadores que efetuam a montagem de todos os

componentes. Nesta secção existem seis linhas distintas para a montagem mecânica e

normalmente os trabalhadores que efetuam a montagem são afetos a uma determinada linha

consoante o tipo de equipamento.

Após obtida a estrutura do equipamento é efetuada a parte elétrica, seguindo o

equipamento para a montagem da parte de frio. Aqui, prepara-se o grupo de compressores

(caso seja necessário), evaporadores e válvulas que tem que ser devidamente soldados para

não ocorrerem fugas e procede-se à montagem de toda a parte elétrica que é feita em baixo do

equipamento, na maioria dos casos junto ao compressor (Figura 3.7). Esta fase da montagem é

um pouco mais demorada do que a Montagem Mecânica, por serem executadas tarefas mais

pormenorizadas e em locais de mais difícil acesso.

Figura 3.7- Operários a efetuarem soldadura dos componentes constituintes do frio do equipamento

Depois da montagem da parte de frio e dos componentes elétricos, o equipamento é

testado. Os ensaios dividem-se em duas fases, sendo a primeira fase caracterizada pelo ensaio

de vácuo e carga de gás. Neste ensaio o equipamento é ligado a uma máquina que produz

vácuo e testa a eventual existência de fugas. A obtenção de vácuo pode demorar entre 600s e

1200s, dependendo do equipamento.

Em seguida procede-se à passagem de carga de gás refrigerante R404A, sendo esta

uma tarefa bastante rápida, na ordem dos 12s aproximadamente.


Sérgio Mendes 20

Posteriormente são efetuados os testes elétricos. Nesta fase é efetuada a análise de

toda a parte elétrica, através de uma máquina que elabora um diagnóstico de consumos e

verifica se existe algum fio ou algum componente elétrico danificado.

O último procedimento é o teste final de funcionamento do móvel, que implica o

funcionamento correto durante um determinado período de tempo.

No caso dos protótipos que são produzidos a pedido do departamento de I&D, estes

seguem o mesmo tipo de processo de fabrico, estando sempre mais do que um técnico

responsável pelo produto na linha de modo a acompanhar a montagem e esclarecer todas as

dúvidas que possam surgir aos operários.

Posteriormente estes protótipos são sujeitos a vários ensaios estruturais de modo a

avaliar a estrutura do equipamento. Seguidamente são efetuados os ensaios térmicos para

poder validar o protótipo termodinamicamente.

Durante o ensaio térmico (Figura 3.8) é verificado se os protótipos cumprem as

condições de temperatura para que foram concebidos. Para isso os equipamentos são

colocados numa câmara de ensaios, que permite regular a temperatura e a humidade de acordo

com o exigido na norma ISO 23953-1 e ISO 23953-2. Neste ensaio o equipamento é

carregado com vários pacotes de prova que simulam as características físicas de diversos

alimentos (geralmente diferentes tipos de carnes) onde são colocados vários termopares que

medem as temperaturas produzidas pelo equipamento em diferentes zonas. Nesta câmara são

também efetuados os ensaios de medição de ruído e de consumo elétrico do equipamento.

Figura 3.8- Equipamento em ensaios térmicos

Pacotes de prova

Sondas de temperatura (termopares)

Projetos e Tarefas Realizadas ao Longo do Estágio

Sérgio Mendes 21

CAPÍTULO 4. PROJETOS E TAREFAS REALISADAS AO LONGO DO ESTÁGIO

Durante o estágio realizado na empresa Mafirol foram realizadas várias tarefas inseridas

nas diversas áreas da empresa. As principais tarefas e projetos realizados serão descritos neste

capítulo.

4.1. Desenvolvimento do Protótipo Antartic

Todos os projetos desenvolvidos têm origem no departamento de I&D, o qual efetua

toda a investigação, desenvolvimento e testes para validar os protótipos

O desenvolvimento de novos equipamentos e respetiva validação tem de respeitar

determinadas regras tanto de funcionamento como de segurança, perspetiva que o

departamento de I&D tem de ter em conta durante o desenvolvimento de um protótipo.

Assim, durante a fase de estágio ocorreu a oportunidade de colaborar no

desenvolvimento de um protótipo, o qual foi denominado por “Antartic”.

A necessidade deste novo produto surge de modo a vir substituir um equipamento

antigo e também numa perspetiva de dar resposta a várias necessidades apresentadas por um

cliente Inglês.

O cliente pretendia um equipamento novo, que apresentasse baixos consumos

energéticos e simultaneamente dispusesse de uma grande área de exposição, tornando-se um

equipamento bastante competitivo fase aos da concorrência.

Neste contexto e após a elaboração de um caderno de encargos iniciou-se o

desenvolvimento do protótipo Antartic, esquematizado na Figura 4.1.


Sérgio Mendes 22

Figura 4.1- Corte do equipamento desenvolvido

Este equipamento foi idealizado de modo a apresentar um baixo custo de produção,

com o objetivo de fabricar um equipamento a um preço competido. Assim durante a fase de

projeto, foi definido utilizar os moldes de uma cuba de um outro modelo já existente. Esta

opção permitia que Antartic apresenta-se uma cuba de grandes dimensões como é possível ver

na Figura 4.2.

Figura 4.2- Cuba Protótipo Antartic

Lateral de Vidro

Forro Costas do Equipamento

Prateleira mais Consolas

Evaporador e sistema de ventilação

Cortina

Cuba


Sérgio Mendes 23

No entanto, esta cuba foi sujeita a algumas alterações simples de modo a facilitar a

montagem, e simultaneamente reduzir o custo de produção. Assim, as uniões entre a cuba e as

costas do equipamento foram simplificadas, pois a união entre a cuba antiga e as costas do

equipamento era feito por um encaixe como é possível ver na Figura 4.3.

Figura 4.3- União antiga entre a cuba e as costas do equipamento

Este tipo de encaixe é usado porque não nos é possível fabricar um equipamento em

que a cuba e as costas sejam construídas numa peça única.

O novo design deste encaixe foi projetado de modo a ficar com uma superfície plana,

ou seja o “dente” que é possível ser vista na Figura 4.3 deixa de existir e passa a ser uma

superfície plana como apresentado na Figura 4.4.

Encaixe


Sérgio Mendes 24

Figura 4.4- Nova união do protótipo Antártic

Esta alteração permitiu reduzir os custos de maquinação das chapas que fazem parte

da estrutura da cuba reduzindo assim ligeiramente o seu custo final.

Já as costas do equipamento foram projetadas de modo a respeitar não só a área de

exposição pretendida como também todo o sistema frio que este tipo de equipamento tem de

incorporar. O Sistema de frio foi inserido na cuba do equipamento facilitando assim a

montagem do evaporador e a ligação deste à central frigorífica. É de salientar que o sistema

de frio pode sofrer vários updates mediante o que o cliente pretender.

Os prumos, que tem a função de manter a cuba e as costas do equipamento unidos e

também de suportar as consolas, as prateleiras e o que se encontra colocado sobre estas, foram

projetadas segundo a sua função e também de modo a respeitar a área de exposição

pretendida. Para isso foi usado a experiência do departamento de I&D de modo a efetuar

vários ajustes em prumos já utilizados em projetos anteriores e adaptá-los às exigências deste

novo protótipo como é possível ver na Figura 4.5.

Figura 4.5- Evolução do prumo

Superfície plana

Novo Prumo

Prumo de um Projeto antigo


Sérgio Mendes 25

Os prumos desenvolvidos, para além de suportarem as laterais, possibilitam também a

ligação de vários equipamentos em série. Esta união entre equipamentos é extremamente útil,

principalmente nas grandes superfícies comerciais, no entanto é de salientar que estas ligações

em série podem ser limitadas pelo sistema de comando selecionado para este projeto. Neste

contexto foram escolhidas duas unidades de comando, um destinado a uma versão do

equipamento mais barato, que se destina a um só equipamento mas não apresentando grandes

soluções de controlo à distancia ou mesmo de monitorização como é possível ver na Figura

4.6 a).

a) b)

Figura 4.6- Controladores: a) carel PJEZ, b) Carel MPXpro [3]

Já o controlador apresentado na Figura 4.6 b) é uma unidade que permite efetuar a

ligação de vários outros controladores da mesma família e que trata estas ligações como

master e slave, sendo o master quem dá as ordens principais, nomeadamente como

descongelações, abertura e fecho da válvula elétrica, paragem e arranque do sistema de

ventilação entre outas.

Os slaves executam as ordens dos master e ao mesmo tempo monitorizam o

equipamento no qual estão colocados. Este tipo de controlador permite que um ou vários

equipamentos sejam monitorizados e controlados á distância, alertando quando existe um

problema, permitindo assim que alguns desses problemas sejam resolvidos sem necessitar de

deslocar uma equipa ao terreno.

Após a definição completa das características do protótipo, foi montado a série inicial

apresentada na Figura 4.7, para efetuar testes e para afinar todo o equipamento, tanto a nível

estrutural como a nível do funcionamento térmico.

As características técnicas deste equipamento são apresentadas no Anexo A.


Sérgio Mendes 26

Figura 4.7- Equipamento finalizado


Sérgio Mendes 27

4.2. Ensaio do Protótipo

4.2.1. Introdução

Após o equipamento estar montado segue-se uma das fases mais importante de

qualquer protótipo na indústria, a fase de ensaios, ensaios estruturais assim como ensaios

térmicos.

É a partir destes ensaios que é verificado se toda a estrutura desenvolvida está bem

concebida e se corresponde as exigências pretendidas. É também através desta metodologia

que se conseguem identificar as falhas e corrigi-las antes do produto ser introduzido no

mercado.

Em funcionamento o produto pode ser sujeito a determinadas condições para o qual

não estava inicialmente preparado como é possível ver nas imagens apresentadas na figura

4.8.

Figura 4.8- Exemplo de problemas provocados pela carga excessiva aplicada nos equipamentos

Carga excessiva


Sérgio Mendes 28

Neste contexto, é extremamente importante analisar e testar qualquer protótipo

desenvolvido de forma a estabelecer corretamente as condições limite em que se obtém um

correto funcionamento.

4.2.2. Metodologia do Ensaio

A metodologia do ensaio estrutural que se utilizou de modo a testar a parte estrutural

(prumos, consolas, e prateleiras) do protótipo foi utilizar varias cargas de modo a verificar a

deformação estrutural que pode vir a ocorrer nas consolas e nas prateleiras. Este tipo de

ensaio também é importante para identificar alguns problemas e para efetuar varias melhorias

no protótipo.

O carregamento da estrutura foi efetuado utilizando pequenos garrafões previamente

pesados e que iriam ser colocados uniformemente distribuídos sobre as prateleiras do

equipamento em ensaios. Cada garrafão pesava 50 N como é possível ver na Figura 4.9.

Figura 4.9-Pesagem dos garrafões

Inicialmente foi distribuída uma carga de 300 N por cada prateleira. É de salientar que

nos primeiros testes só foi utilizada uma prateleira de modo a não ocorrer o efeito de dominó

caso houvesse alguma falha por parte das consolas ou dos prumos. Após a carga estar

devidamente distribuída procedeu-se a medição da flecha máxima da consola relativamente a

posição inicial.

Seguidamente foi efetuada um novo carregamento desta vez com 600N, como é

possível ver Figura 4.10. Antes de efetuar esta nova carga procedeu-se à alteração da posição

das consolas e das prateleiras para evitar que alguma deformação do prumo que ocorreu


Sérgio Mendes 29

durante o ensaio anterior tenha influência neste novo ensaio. Assim conseguimos que os dois

ensaios fossem feitos em condições semelhantes. Após as prateleiras estarem uniformemente

carregadas procedeu-se à medição da flecha máxima como se fez no primeiro ensaio.

Figura 4.10- Carga 600N distribuída uniformemente pela prateleira

No terceiro ensaio a carga foi ainda aumentada, passando-a de 600N para 900N, como

mostra a Figura 4.11. Durante a realização deste ensaio foi tido o cuidado de deslocar as

consolas e as prateleiras da posição do ensaio anterior para uma nova posição pelo motivo já

anteriormente referido.

Figura 4.11- Carga 900N distribuída uniformemente pela prateleira

Após a realização destes ensaios, procedeu-se à análise de outro tipo de consolas que

não vão ser abordadas neste relatório devido ao elevado número de teste que foram efetuados.


Sérgio Mendes 30

4.2.3. Resultados

A Tabela 4.1 apresenta os valores das flechas máximas medidas durante o ensaio

experimental com o protótipo.

Tabela 4.1- Resultados experimentais

Os resultados apresentados na Tabela 4.1 mostram que existe uma deformação

significativa na consola. A maior deformação ocorreu na zona do prumo central como é

possível de observar na Figura 4.12.

Figura 4.12-Representação da rotura da consola quando atingido o limite de carga

Prateleira Consola com três engates

1250mm x 450mm

Kg/Prat 30 60 90

Flecha máxima

(mm)

Ensaio1 3 5 9 Ensaio2 2 5 8 Ensaio3 3 6 9

Media 2,65 mm 5,33 mm 8,67 mm


Sérgio Mendes 31

Em alguns casos a deformação era tão elevada que a consola saltava do prumo que

ficava danificando. Quando este fenómeno não ocorria era a consola que acabava por se

deformar mal ocorresse alguma oscilação na prateleira este fenómeno pode ser visualizado na

Figura 4.13.

Figura 4.13-Problemas que ocorrem quando existe rotura da consola

Assim e quando a carga é excessiva a consola acaba mesmo por ceder, rasgando em

alguns casos os prumos como já observado na Figura 4.13. Este fenómeno ocorre tanto nos

prumos laterais como nos prumos centrais sendo os últimos os mais afetados.

Para melhor compreender o comportamento dos prumos e da consoa será efetuado

uma analise das tensões e deformações que ocorrem neste conjunto pelo método dos

elementos finitos

Prumo danificado pelo apoio da consola

Consolas danificadas


Sérgio Mendes 32

4.3. Simulação pelo Método dos Elementos Finitos

4.3.1. Introdução

O Método dos elementos finitos é hoje o método numérico mais utilizado para

resolução de problemas de mecânica estrutural, devido a sua versatilidade numérica e

simplicidade de utilização originada pelos diversos softwares existentes no mercado que

tornam todo o possesso mais simples e amigável.

O método de elementos finitos é uma técnica bastante versátil e fácil de adaptar a

diferentes tipos de elementos estruturais e a variados regimes de comportamento. No entanto,

a sua utilização está associada à obtenção de soluções aproximadas, o que obriga a que esta

ferramenta deva ser utilizada de forma criteriosa, sendo efetuada uma análise crítica e cuidada

dos resultados obtidos.

4.3.2. Método de Elementos Finitos

Neste trabalho foi utilizado o software Solidworks Simulator. Este é uma poderosa

ferramenta integrada no solidworks que permite efetuar diversos tipos de ensaios de

elementos finitos.

Figura 4.14- Princípio de funcionamento software cosmos [2] [9]

O solidworks Simulator divide o modelo em muitas partes pequenas de formas

simples, denominados elementos, permitindo que elementos compartilhem pontos em comum,

chamados nós como é possível ver na Figura 4.15.

O programa substitui eficazmente um problema complexo por muitos problemas

simples que devem ser resolvidos simultaneamente.


Sérgio Mendes 33

Figura 4.15-Identificação dos constituintes da malha [9]

4.3.2.1. Tipo de elementos finitos

No método de elementos finitos aplicado pelo solidworks existem diferentes tipos de

elementos que podem ser utilizados mediante a geometria em estudo. Nas simulações

realizadas foram utilizados elementos de dois tipos, que serão apresentados seguidamente:

Draft - cada elemento tem a forma de um tetraedro linear e possui um nó em cada

vértice, ou seja, 4 nós por elemento;

High - cada elemento tem 10 nós, 4 nós nos vértices e mais um nó no meio de cada

aresta (6 nós) do tetraedro parabólico.

Os elementos designados “draft” são do tipo linear, onde o deslocamento é

aproximado por funções. Na Figura 4.17 é apresentada a geometria e número de nós do

elemento sólido linear e elemento sólido parabólico. [6]

Figura 4.16- Elemento sólido linear e Elemento sólido parabólico [6]


Sérgio Mendes 34

Normalmente os elementos parabólicos garantem melhores resultados que os

elementos lineares para a mesma densidade de malha, devido a sua capacidade de representar

uma fronteira definida com maior rigor e de originar aproximações matemáticas mais exatas.

No entanto, para que este tipo de resultados seja possível é necessário um esforço

computacional muito maior, o que em alguns casos inviabiliza a análise.

Existem também muitas outras estruturas com variações de espessura difíceis de

modelar, o que obriga à utilização de malhas tipo solido com elevada densidade. Nestes casos

é aconselhável a modelação de elementos finitos ser feita recorrendo a outro tipo de elemento,

nomeadamente o elemento tipo casca.

Assim, numa estrutura com elementos casca o softwer gera os seguintes tipo de

elementos: [6]

Draft - cada elemento tem a forma de um triângulo linear, com três arestas direitas e

possui um nó em cada vértice, ou seja, 3 nós por elemento;

High - cada elemento tem três arestas parabólicas e 6 nós, 3 nós nos vértices e mais

um nó no meio de cada aresta do triângulo parabólico.

Na Figura 4.17 é apresentada a geometria e número de nós do elemento linear e do

elemento parabólico.

Figura 4.17-Elemento triangular linear e Elemento triangular parabólico [6]


Sérgio Mendes 35

4.3.2.2. Erros Associados ao Método de Elementos Finitos

Alguns erros que podem aparecer nos resultados nas análises realizadas através de

elementos finitos ocorrem devido a algumas limitações que existem associadas á utilização

deste método. Os erros que contribuem para essas limitações podem ser classificados em:

1. Erros de definição do problema, isto é, nos dados de entrada tais como

propriedades físicas e dimensões;

2. Utilização imprópria dos elementos selecionados;

3. Aplicação errada das cargas e condições fronteira;

4. Fraca discretização da geometria da estrutura, por exemplo, devido a um

tamanho de malha inadequado ou aproximação grosseira de geometrias. Este

tipo de erros deve ser minimizado assumindo um compromisso relativamente

ao erro aceitável e ao tempo de computação.

Na Figura 4.18 ilustram-se quatro casos de distribuição de malhas, onde se pode

observar claramente a variação da sua densidade. [ 7]

Figura 4.18- Placa com vários tipos de elementos


Sérgio Mendes 36

4.3.3. Metodologia de Análise

A primeira abordagem ao conjunto analisado neste trabalho foi efetuada com

elementos sólidos. Foram efetuadas análises estáticas, que se caracterizam pelo facto de a

carga ser aplicada de forma gradual. Numa primeira fase procedeu-se ao levantamento das

propriedades mecânicas do material utilizado para a conceção dos prumos e das consolas.

Na Tabela 4.2 são apresentadas as propriedades mecânicas da liga DX51D+Z200

utilizada nos prumos e consolas (ver também Anexo B).

Propriedades Valor Unidades Módulo de Young 200000 MPa

Coeficiente de Poisson 0.29 -

Tensão de rotura 295 MPa Tensão de cedência 169 MPa

Tabela 4.2-Propriedades do Material da consola e dos Prumos

A consola foi o primeiro elemento da estrutura a ser analisado. A consola foi fixa na

zona em que está em contacto com o prumo, tendo sido utilizadas as opções “fixe geometry” e

“roller/slider”, disponíveis no SolidWorks Simulation. Na Figura 4.19 pode observar-se esta

funcionalidade.

Na análise foi considerado que a carga aplicada na prateleira é dividida

uniformemente pelas consolas e que cada uma das consolas tem uma carga igual á metade da

carga que se encontra aplicada sobre a prateleira como é possível ver na Figura 4.19.

Esta simplificação foi adotada devido ao facto da prateleira ser uma estrutura com uma

geometria complexa cuja modelação implicaria que todo o processo de cálculo fosse muito

mais complexo e demorado.

DX51D+Z200

TEST

ES σR [MPa] σC [MPa] A80 % min

Mínimo 0 - 0 Máximo 0 - - Médio 295 169 45


Sérgio Mendes 37

Figura 4.19- Consola com carga aplicada e restrições

Foi analisada uma consola colocada no prumo central, uma vez que é neste local que

as consolas apresentam uma maior deformação devido à maior carga sobre o prumo. Nesta

análise apenas foi considerado um par de consolas apoiada no prumo central, quando na

realidade este tem quatro pares de consolas apoiadas, correspondendo a quatro níveis de

prateleiras. Foi adaptado este procedimento de forma a não sobrecarregar o processo de

cálculo e também para facilitar a comparação com resultados obtidos experimentalmente.

Os prumos foram fixos pela zona onde são aparafusados às costas do equipamento e

as consolas foram restringidas de modo a não estarem sujeitas a rotação como mostra a Figura

4.20, pois na realidade a prateleira evita a rotação da consola.

Legenda: Pp- Carga aplicada na prateleira

“Fixed”

“Roller/Slider”


Sérgio Mendes 38

Figura 4.20-Prumo com restrições e com a carga aplicada

Relativamente aos contactos globais, o conjunto foi considerado como “no

penetration” no contacto entre o prumo e as consolas, o que significa que os componentes em

contato não se inter-penetram como é possível ver esquematicamente na Figura 4.21.

Figura 4.21- Tipos de contactos globais


Sérgio Mendes 39

4.3.4. Resultados

O primeiro componente a ser analisado foi a consola, a qual foi fixa como já

anteriormente referido, utilizando malhas com varias dimensões para analisar a convergência

da análise.

A carga aplicada foi de 150N, 300N e 450N o que equivale a ter sobre a prateleira

cargas de 300 N, 600N e 900N,respetivamente. Estes valores são iguais aos que foram usados

durante o ensaio experimental.

No estudo de convergência da malha, as análises numéricas iniciais consideram uma

malha com uma dimensão média de cada elemento de 2mm. Posteriormente, a dimensão

média da malha foi diminuída até ao valor limitado pela capacidade computacional do

computador utilizado. Para cada uma das análises efetuadas, foram rezistados os dados

relativos à tensão máxima, deslocamento máximo, tipo de malha e valor da refinação da

malha em pontos considerados críticos como apresentado na Tabela 4.3

Carga 150 N

Análise Dim. Mínima do Elemento*

[mm] Nº de elementos Deslocamento

Máximo [mm] Tensão Máxima de

VonMises [MPa]

1 2 109040 0,4971 357,3

2 1,5 129811 0,4971 359,8

3

4

5

6

7

8

9

10

11

1,2

1

0,8

0,5

0,3

0,1

0,08

0,06

0,04

140617

154551

155043

155616

155869

218598

256924

320370

567177

0,4971

0,4971

0,4971

0,4971

0,4971

0,4972

0,4972

0,4972

0,4972

376,1

344,5

346,1

328,9

391,6

674,6

586.3

1048,4

892.1

*Elementos com transição de malha automática (elementos refinados na zona dos dentes de encaixe da consola)

Tabela 4.3-Resultdados da análise da consola com 150 N de carga aplicada


Sérgio Mendes 40

No Gráfico 4.1 é apresentada a variação da tensão e deslocamentos máximos com a

dimensão dos elementos na zona mais refinada da malha localizada junto aos dentes de engate

entre a consola e o prumo (ver Figura 4.20). Gráfico 4.1

Gráfico 4.1- Gráfico tensão de Von Mises e do Deslocamento da consola com carga aplicada de 150 N

O Gráfico 4.1b) e a tabela anterior mostram que existe convergência dos valores do

deslocamento, uma vez que a variação deste é mínimo com a alteração da dimensão do

elemento mais pequeno da malha. Por sua vez, o Gráfico 4.1a) permite observar que a tensão

de Von Mises inicialmente varia de forma irregular e depois aumenta significativamente à

medida que a malha vai sendo diminuída. Este fenómeno ocorre devido a uma zona de

concentração de tensões que aparece no primeiro dente da consola.

É importante notar que todas as análises efetuadas apresentam valores de tensão

superiores à tensão de cedência do material. Este comportamento ocorre devido ao programa

de elementos finitos assumir um comportamento puramente elástico do material

b) a)


Sérgio Mendes 41

Figura 4.22- Zona de concentração de tensões no primeiro dente da consola.

É de salientar que este fenómeno da elevada concentração de tensões é devido ao

software considerar a face A (filete com 0,5mm de raio) descontinua da face B. No entanto, se

estas duas faces forem contidas numa única o mesmo fenómeno continua a ocorrer, pois ao

definir as fixações nesta zona é criado uma de descontinuidade geométrica, o que origina que

o software considere esta zona como um entalhe que não existe na realidade.

Ao serem utilizados outros tipos de fixação este comportamento tende a deslocar-se

para outras zonas, como mostra a Figura 4.23.

Figura 4.23- Primeiro dente da consola com outro tipo de fixação.

B

A


Sérgio Mendes 42

Analisando também a malha gerada, verifica-se que esta não apresenta irregularidades

nesta zona como é possível ver observar na Figura 4.24.

Figura 4.24- Malha gerada na zona do primeiro dente da consola.

Assim, na realidade este fenómeno não ocorre na consola. Alem disso, como se trata

de uma zona muito localizada este comportamento será desprezado.

Na Tabela 4.4 são apresentados os valores obtidos para a malha sólida com elementos

“high” e posteriormente são apresentados os resultados de um dos ensaios como é possível

ver na Figura 4.25 à Figura 4.27.

Cargas Dim. Mínima do

Elemento* [mm] Nº de elementos Deslocamento

Máximo [mm] Tensão Máxima de VonMises [MPa]

150 N 0,04 567177 0,4972 892,1**

300 N 0,04 567177 0,9943 1784,3**

450 N 0,04 567177 1,492 2676,4**


**Valores de Tensão de VonMises desprezados.

Tabela 4.4- Dado do ensaio da consola com varias cargas

Zona de concentração de tensões com malha de 0.04 mm (malha refinada)


Sérgio Mendes 43

Figura 4.25- Malha utilizada na consola com carga de 300N

A Figura 4.25 mostra o tipo de elemento utilizado e a malha mais densa nas zonas

mais críticas, ocorrendo uma transição progressiva do tamanho da malha até atingir a

dimensão mínima do elemento que foi definida para esta análise.

Após a realização da análise numérica da consola com uma carga aplicada de 300 N,

Figura 4.26, verifica-se que os valores de tensão no primeiro dente de engate desta consola

são valores aproximadamente equivalentes ao longo da geometria do filete do dente. Este

filete apresenta um raio de apenas 0.5 mm o que torna a geometria propícia ao aparentar

valores elevados de tensão.


Sérgio Mendes 44

Figura 4.26- Valores de tensões de tensões obtidas ao longo do primeiro dente da consola (carga 300N)

No entanto, foi observado que quase toda a totalidade do primeiro dente da consola,

quando está sujeito a uma carga de 300 N, apresenta valores de tensão inferiores ou iguais a

365 MPa como representado na Figura 4.27. Nesta figura também é observável uma zona com

dimensão muito reduzida que apresenta valores de tensão superiores a 365 MPa. Como já foi

referido anteriormente esta zona não será considerada na análise uma vez que o software cria

uma descontinuidade virtual que não é possível evitar devido ao posicionamento das fixações.

Figura 4.27- Zona de elevados valores de tensão no primeiro dente da consola (carga 300N)

Zona não considerada (maior que 365 MPa)

Menor ou igual a 365 N


Sérgio Mendes 45

Os deslocamentos na extremidade da consola obtidos através da simulação realizada

por elementos finitos do conjunto consola e prumo são apresentados na Tabela 4.5.

Cargas Dim. Mínima do

Elemento*[mm] Nº de elementos Deslocamento

Máximo [mm] Tensão Máxima

[MPa] 150 N 0,09 744593 4,171 495,7

300 N 0,09 744593 6,931 969,2

450 N 0,09 744593 9,543 1209,8


Tabela 4.5- Dados dos vários ensaios do conjunto prumo mais consolas

Durante a realização desta análise foi utilizada uma malha com uma dimensão mínima

de 0.09mm nas zonas mais críticas da consola e uma malha com 0.5mm na zona onde as

consolas engatam nos prumos. A malha utilizada é apresentada na Figura 4.28.

Figura 4.28- Malha utilizada no ensaio do conjunto prumo mais consolas

Malha com 0.5mm

Malha com 0.09mm

Malha com 1mm


Sérgio Mendes 46

A Tabela 4.5, mostra que os valores de deslocamento apresentados são superiores aos

obtidos no ensaio experimental, Tabela 4.1, esta diferença é mais significativa para cargas

aplicadas de 150 N e de 300N, como é possível observar no Gráfico 4.2.

Este comportamento pode estar relacionado com uma distribuição deficiente da carga

durante o ensaio experimental do protótipo.

Gráfico 4.2- Comparação dos deslaçamentos medidos experimentalmente e obtidos numericamente.

No entanto, o comportamento da consola obtido por elementos finitos é semelhante

ao que acontece na experimentalmente. Assim, a consola quando sujeita a carregamento tende

a sofrer um deslocamento que origina que os seus dentes fiquem em contacto com a parte

posterior do prumo. Consequentemente o dente de engate superior da consola é o mais

solicitado, tendendo a ceder quando a carga é excessiva. Este comportamento também foi

observado durante o ensaio experimental do protótipo Figura 4.13

A Figura 4.29 ilustra este comportamento durante a simulação por elementos finitos.


Sérgio Mendes 47

Figura 4.29- Análise por elementos finitos, prumo mais consola (carga150N)

Nesta figura é percetível o efeito que a consola cria no prumo quando está com

carregamento. O dente superior da consola é o primeiro a sofrer o esforço provocado pela

carga que se encontra aplicada sobre a consola/prateleira. Este facto leva ao aparecimento de

valores elevados de tensões nesta zona uma vez que durante algum tempo é apenas este dente

que suporta toda a carga aplicada, como é possível observar na Figura 4.30.

Figura 4.30- Primeiro dente da consola no ensaio do conjunto prumo mais consola (carga 150 N)

494,7 MPa Prumo


Sérgio Mendes 48

4.4. Ensaio Laboratorial

4.4.1. Introdução

A análise de tensões consiste, fundamentalmente, na determinação do estado de tensão

num ou vários pontos duma estrutura, tendo em conta um conjunto de condições que inclui a

forma ou geometria da estrutura, a ligação desta ao meio exterior e o tipo de solicitações a que

está submetida.

Se o estado de tensão num ponto é determinado recorrendo a grandezas medidas

experimentalmente, então o processo é designado como um método de análise experimental

de tensões.

De uma maneira geral, a análise experimental de tensões não envolve a medição direta

dessa grandeza. O que é normalmente efetuado é medir uma outra quantidade, que de algum

modo pode ser relacionada com o estado de tensão no ponto considerado.

Uma das grandezas mais frequentemente medidas na análise experimental de tensões é

a extensão, a partir da qual se determinam as tensões, recorrendo à teoria da elasticidade.

4.4.2. Extensometria Fundamental

A extensómetria é um método que permite efetuar o estudo da deformação que ocorre

no material. Esta medição é possível devido a variação da resistência que ocorre no sensor

originada pela deformação do material. A análise das deformações de uma estrutura permite

determinar os esforços mecânicos a que está submetida.

Pela sua facilidade de utilização, fiabilidade e baixo custo, os extensómetros elétricos

são os sensores mais usados para o fabrico de transdutores e células de carga, quer para

aplicações industrias ou orientadas simplesmente para a pesagem, como é o caso das balanças.

A Figura 4.33 apresenta esquematicamente um extensómetro elétrico, sendo identificados os

seus constituintes principais.


Sérgio Mendes 49

Figura 4.31- Constituintes de um Extensómetro. [15]

4.4.2.1. Extensómetro tipo roseta

As rosetas são um conjunto de extensómetros ligados entre si de modo a ocuparem,

num ponto considerado, posições geometricamente bem definidas relativamente às que se

tomam para referência. As rosetas de extensómetros podem ser planas ou tridimensionais.

No caso plano, em que são necessários apenas três extensómetros, as configurações

mais frequentes são a roseta retângular (em que os três extensómetros formam entre si

ângulos de 45º e 90º) e a roseta triangular (em que os extensómetros formam entre si ângulos

de 60º), como mostra a Figura 4.32. [16]

Figura 4.32-À esquerda Roseta Retângular, à direita Roseta triangular [16]


Sérgio Mendes 50

4.4.2.2. Cálculo da tensão de VonMises Equivalente em Rosetas

Geralmente, o campo de tensões ou a direção das tensões principais não são conhecidos.

Assim, nos ensaios experimentais, utilizam-se as rosetas de três elementos para determinar o

campo de tensões.

Considere-se três extensómetros alinhados segundo os eixos A, B e C quaisquer,

inseridos num sistema de eixos pré-definido como representado na Figura 4.35:

Figura 4.33-Representação da localização dos extensómetros de uma roseta (A, B e C) e os respetivos ângulos em relação ao sistema de eixo

Substituindo as deformações de cada extensómetro (εA , εB , εC ) e os respetivos

ângulos na equação seguinte (1) obtêm-se as deformações εXX , εYY e γXY , para qualquer

localização dos extensómetros.

2 2

2 2

2 2

cos coscos coscos cos

A XX A YY A XY A A

B XX B YY B XY B B

C XX C YY C XY C C

sen sensen sensen sen

(1)

As deformações principais e as suas direção são dadas por:


Sérgio Mendes 51

2 21

2 22

0,5( ) 0,5 ( ) ( )

0,5( ) 0,5 ( ) ( )2 ( ) / ( )

XX YY XX YY XY

XX YY XX YY XY

XY XX YYtg

Onde θ é o ângulo entre o eixo principal de σ1 e o eixo x. Deste modo, as tensões principais

podem ser determinadas pelas seguintes expressões: [17]

2

1 1 2[E ( )] (1 ) (3)

2

2 2 1[E ( )] (1 ) (4)

Além disso, a tensão de corte máxima é dada por:

max 1 2 ( ) 2 (5)

Conhecidas as tensões principais, a tensão equivalente de VonMises é determinada pela

seguinte equação [17]:

2 2 2

1 2 1 3 2 31 ( ) ( )2VonMises (6)

A metodologia de cálculo descrita está esquematizada de forma simplificada na Figura 4.36.

Figura 4.34-Representação do cálculo da tensão equivalente VonMises para qualquer ponto de um

material.

(2)


Sérgio Mendes 52

Um ponto qualquer de um corpo está geralmente submetido a um estado de tensão

triaxial. No entanto, para o caso do cálculo de tensões em superfícies de materiais, a tensão σ3

é considerada igual a zero, funcionando como um estado biaxial de tensão.

4.4.3. Metodologia de Ensaio Experimental

De modo a poder ensaiar o conjunto consola mais prumo foi utilizado o bastidor

apresentado na Figura 4.35.

Este bastidor dispõe de um atuador pneumático, o qual permite aplicar carga de forma

constante e de forma crescente. Ligado ao atuador pneumático está uma célula de carga

aplicada num carril. Para efetuar a ligação do carril ao prumo foi utilizada uma expia de aço

com 2 mm de diâmetro. A mudança de direção entre o carril e a consola foi efetuada por uma

roldana com atrito desprezável como mostra a Figura 4.36.

Figura 4.35-Bastidor com todos os sensores e a consola e o prumo

A aquisição do deslocamento sofrido pela consola foi efetuada pelo transdutor linear

resistivo apresentado na Figura 4.36.

Para efetuar a medição das deformações da consola foram utilizados um extensómetro,

colocado a meio do seu comprimento, e uma roseta, colocada no primeiro dente de engate

entre a consola e o prumo, como apresentado na Figura 4.37a e Figura 4.37b, respetivamente.


Sérgio Mendes 53

Figura 4.36 - Transdutor Linear Resistivo

Figura 4.37 - (a) Extensómetro e (b) Roseta usados no ensaio

O ensaio experimental consistiu na aplicação de uma força vertical gradualmente

crescente na extremidade livre da consola, efetuando-se a medição do deslocamento e da

deformação através dos respetivos sensores.

Para conseguir uma boa estabilidade da consola com os extensómetros, o ensaio foi

realizado ligando esta a uma outra consola. Utilizando duas consolas ligadas entre si procurou

evitar-se que a consola instrumentada sofresse algum tipo de torção que poderia levar à

destruição da roseta.

Roseta Extensómetro

(a) (b)

Transdutor Linear Resistivo (MegaTron RC13-75-G-1)

Consola


Sérgio Mendes 54

De forma a facilitar a aquisição dos dados transmitidos pelos diversos sensores, isto é,

pela célula de carga, extensómetro, roseta e transdutor linear, foi usado o software Labview

através do qual se elaborou um programa para efetuar a aquisição de todos os sinais (ver

Anexo C).

4.4.3.1. Equipamento utilizado

Como já referido, para efetuar o ensaio descrito foram utilizados vários componentes.

Nesta secção será efetuada uma descrição breve das suas características.

Célula de carga

Do modo a medir a carga aplicada foi utilizada uma célula de carga. A célula possui

internamente quatro extensómetros ligados entre si segundo a ponte de Wheatstone, a variação

da resistência da ponte, em função da deformação dos extensómetros, é proporcional à força

que a provoca. Através do balanceamento da ponte é possível obter o valor da força aplicada.

Antes de se iniciar um novo ensaio e necessário calibra-la de modo a definir o novamente o

zero de carga.

A célula de carga utilizada é da marca AEP modelo TSTM.214.R3 (Figura 4.38), as

suas características estão enunciadas no Anexo G.

Figura 4.38- Célula de carga utilizada


Sérgio Mendes 55

Atuador Pneumático

Um atuador pneumático é um elemento que utiliza o ar comprimido como fonte de

energia. Se o ar comprimido entrar pela câmara do lado direito faz com que a haste recue,

caso o ar comprimido entre pela câmara do lado esquerdo faz com que esta avance.

O sentido de atuação da haste é feito através de uma válvula que direciona o fluxo de

ar comprimido para a câmara direita ou esquerda, permitindo fazer o avanço e recuo do

atuador. O atuador pneumático utilizado é apresentado na Figura 4.39.

Figura 4.39- Atuador pneumático

As válvulas distribuidoras de caudal têm como principal função orientar a direção do

ar comprimido de modo a que seja possível atuar o atuador pneumático. A Figura 4.40 mostra

as válvulas utilizadas.

Figura 4.40- Válvulas distribuidoras de caudal


Sérgio Mendes 56

Sensor de deslocamento linear

De modo a medir os deslocamentos do prumo, foi utilizado um transdutor linear

resistivo com a designação comercial MegaTron RC13-75-G-1, apresentado na Figura 4.41.

Este tipo de sensor é baseado numa resistência elétrica variável, alimentada por uma

determinada tensão elétrica, tendo como saída um sinal linear proporcional ao deslocamento

da haste. As suas características estão enunciadas no Anexo F.

Figura 4.41- Transdutor linear resistivo MegaTron RC13-75-G-1

Extensómetros

No caso em estudo foram utilizados a roseta e o extensómetro já apresentados na

Figura 4.37, as suas características são apresentadas no Anexo D e Anexo E, respetivamente.

Fonte de alimentação

Para alimentar o transdutor linear resistivo e as válvulas distribuidoras de caudal,

recorreu-se à fonte de alimentação, de designação comercial Velleman Ps-613, apresentada na

Figura 4.42.

Figura 4.42-Fonte de alimentação Velleman Ps-613


Sérgio Mendes 57

4.4.4. Resultados

O Gráfico 4.3 apresenta o deslocamento na extremidade da consola em função da

carga aplicada para três ensaios realizados nas mesmas condições. O deslocamento foi medido

através do transdutor linear anteriormente descrito.

Gráfico 4.3- Deslocamento na extremidade da consola

Através da análise do gráfico apresentado verifica-se que o comportamento da consola

ao longo dos três ensaios é muito semelhante, o que indica uma boa repetibilidade das

medições.

O gráfico mostra claramente que a curva carga-deslocamento apresenta duas zonas

com diferentes inclinações. Efetivamente existe uma zona inicial, até aproximadamente aos

70 N de carga aplicada, em que inclusive se observa uma ligeira flutuação de valores. Este

comportamento é provavelmente devido à falta de estabilidade geométrica entre as consolas e

o prumo até aos 70 N de carga aplicada. A partir deste valor de carga, e até à carga limite

aplicada, observa-se uma relação mais estável, a que corresponde uma maior linearidade entre

a carga aplicada e o deslocamento medido.

O deslocamento provocado pela carga aplicada é semelhante nos vários ensaios

realizados. A carga máxima aplicada foi de 423,84 N, valor máximo permitido pelo atuador

pneumático, o que originou um deslocamento de 6,16 mm. É importante salientar, como já

anteriormente referido, que o ensaio foi realizado com a consola instrumentada ligada a outra

consola. Assim, a carga máxima atingida corresponde a duas consolas, pelo que a carga

máxima foi distribuída pelas duas consolas, ou seja, cada consola suportou apenas 211,92 N.

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

4

4,5

5

5,5

6

6,5

7

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300 320 340 360 380 400 420 440

Des

loca

men

to [m

m]

Carga [N]

Carga

Ensaio1

Ensaio2

Ensaio3


Sérgio Mendes 58

Os valores da tensão normal medidos pelo extensómetro unidirecional são

apresentados no Gráfico 4.4, também em função da carga aplicada para os três ensaios

realizados nas mesmas condições.

Gráfico 4.4- Tensão normal no extensómetro. Este gráfico mostra que em relação às tensões no extensómetro unidirecional os

valores obtidos para a tensão normal para os três ensaios estão também eles muito próximos,

para cada valor de carregamento. Uma análise ao gráfico apresentado, em conjunto com dados

de suporte que foram recolhidos, mostram que para uma carga aplicada de 400 N o primeiro

ensaio apresenta uma tensão de 32,441 MPa, o segundo ensaio 32,851 MPa e o terceiro

32,799 MPa. Analisando estes valores verifica-se que existe uma diferença máxima entre eles

de 0,41 MPa, correspondendo apenas a um erro de aproximadamente 1,26 %.

No caso da tensão Equivalente VonMises obtida na roseta, os valores não se

encontram muito dispersos, para o mesmo valor de carga nos três ensaios realizados, como

mostra o Gráfico 4.5.

02468

101214161820222426283032

34363840

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300 320 340 360 380 400 420 440

Tens

ão M

Pa

Carga N

Tensões Extensómetro Ensaio 1

Tensões Extensómetro Ensaio 2

Tensães Extensómetro Ensaio 3

Tensão medida pelo Estensómentro vs Carga


Sérgio Mendes 59

Gráfico 4.5- Gráfico Tensão de VonMises vs Carga na roseta

Assim para uma carga de 400 N, no primeiro ensaio obteve-se um valor de tensão de

VonMises igual a 73,293 MPa como se pode-se verificar através do Gráfico 4.5 e através de

documentos de apoio recolhidos durante o ensaio. Já no segundo ensaio obteve-se um valor de

73,990 MPa e o terceiro ensaio apresenta um valor de 73,867 MPa. Analisando estes valores

verifica-se que existe uma diferença máxima de 0,697 MPa, o que equivale a um erro de

apenas 0,942 %. Assim, a variação de valores nos vários ensaios é aceitável para a gama de

tensões obtidas. Para a carga máxima aplicada obteve-se uma Tensão de VonMises de 80,88

MPa.

Para poder validar a análise por elementos finitos efetuada, optou-se por efetuar uma

comparação dos resultados obtidos com os resultados de um ensaio por elementos finitos

efetuado nas mesmas condições em que o ensaio experimental foi efetuado. Nesta sequência o

modelo utilizado para a realização da análise por elementos finitos é apresentado na Figura

4.43. Esta figura mostra as zonas em que o modelo se encontra fixo e a localização de

conectores, também é claramente visível o extensómetro e a roseta.

05

101520253035404550556065707580859095

100

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300 320 340 360 380 400 420 440

Ten

são

o M

Pa

Carga [N]

VonMises Ensaio 1

VonMises Ensaio 2

Von Mises Ensaio3

Tensão de VonMises vs Carga


Sérgio Mendes 60

Figura 4.43- Características do modelo de elementos finito utilizado para simular o ensaio experimental

Neste modelo foi utilizado uma malha refinada nas zonas do extensómetro e da roseta.

A malha utilizada nesta zona foi de 0.3mm com transição automática como mostra Figura

4.44.

Figura 4.44- Aspeto da malha utilizada

Rigid Connector Extensómetro

Roseta Fixed

Roller/Slider

200N por consola

Malha com 0.3mm com transição automática

Zona da Roseta

Zona da Extensómetro


Sérgio Mendes 61

Na simulação das condições do ensaio experimental por elementos finitos foi obtida

uma tensão normal de 32,1 MPa na zona em que esta localizado o extensómetro como

apresentado na Figura 4.45.

Figura 4.45- Valor da tensão Normal obtida na análise de elementos finitos na zona do extensómetro

A diferença entre este valor e os valores da tensão normal medidos no extensómetro,

durante os três ensaios realizados, representa uma diferença máxima de 0.75 MPa,

correspondendo apenas a uma variação de aproximadamente 2,3%.

Neste contexto, facilmente pode ser concluído que o modelo de elementos finitos

utilizado é adequado para a simulação do comportamento da consola e do prumo quando

sujeitos a carregamento estático. Assim, confirma-se que o fenómeno observado no capítulo

anterior das elevadas tensões de VonMises verificadas na zona da roseta será devido à elevada

concentração de tensão artificialmente ampliada pela software utilizado, como já

anteriormente referido.

No entanto, como mostra a Figura 4.46, apesar dos valores da tensão de VonMises no

centro da roseta serem aproximados aos obtidos experimentalmente, verifica-se que na zona

de contacto do primeiro dente da consola com o prumo a tensão de VonMises tende a

aumentar até valores muito elevados.


Sérgio Mendes 62

Este comportamento está relacionado com o modo como o Solidworks trata esta zona,

originando o aparecimento artificial de pontos de concentração de tensões muito elevados.

Figura 4.46- Ensaio elementos finitos zona da roseta

Consola

Prumo

Roseta


Sérgio Mendes 63

Assim, com a realização deste trabalho foram obtidos resultados próximos

entre os três ensaios realizados. Além disso, confirmou-se que os entalhes existentes na

consola eram uma zona crítica, apesar de não ser possível correlacionar o valor da tensão

VonMises com os valores obtidos através da simulação por elementos finitos com um erro

aceitável.

No entanto, a roseta permitiu verificar o elevado valor da tensão de VonMises na

envolvente do entalhe, indicando que a geometria da consola deve ser melhorada de modo a

diminuir a respetiva concentração de tensão existente nesta zona.

Conclusões e trabalhos futuros

Sérgio Mendes 64

CAPÍTULO 5. CONCLUSÕES E TRABALHOS FUTUROS Todo o trabalho realizado ao longo do estágio teve como objetivo a colaboração no

desenvolvimento de um protótipo, bem como estudo e testes de vários componentes

estruturais do novo equipamento desenvolvido.

O desenvolvimento, acompanhamento e teste de um protótipo de um expositor

refrigerado permitiu a passagem por várias fases importantes no desenvolvimento destes

equipamentos. Assim na fase de projeto tem de estar sempre presente a universalidade destes

equipamentos, mas também é necessário ter bastante atenção aos custos do projeto e as

exigências dos clientes.

Os testes, tanto térmicos como estruturais destes equipamentos são extremamente

importantes, uma vez que os equipamentos têm de ser certificados mediante varias normas.

No caso dos testes realizados verificou-se que os entalhes existentes nas consolas são zonas

de elevada concentração de tensões o que pode originar alguns problemas estruturais.

Atualmente este pontos estão a ser melhorados de modo a projetar uma nova consola,

aumentando o raio do entalhe para conseguir uma diminuição significativa da concentração de

tensões nessa zona. Adicionalmente foi proposto aumentar o número de dentes do engate da

consola para conseguir alcançar uma melhor distribuição da carga suportada.

Como sugestão para um trabalho futuro, que viria no mesmo seguimento do trabalho

efetuado, é a realização de ensaios num equipamento a trabalhar em condições reais de

funcionamento a uma temperatura de 0 ºC (temperatura no interior do equipamento). Este tipo

de ensaio permitiria comparar o comportamento da consola a temperatura ambiente e à

temperatura de 0 ºC.

No âmbito da formação pessoal e de complemento da formação académica, este

estágio foi muito importante pois, além do estudo realizado, possibilitou ainda uma completa

inserção na empresa. Assim, permitiu tomar contacto com o mundo de trabalho exterior, bem

como com os problemas que nele surgem.

Finalmente referir que foi muito importante o conhecimento adquirindo ao longo deste

estágio, tanto a nível do processo de fabrico, assim como do funcionamento de diversos

Conclusões e trabalhos futuros

Sérgio Mendes 65

equipamentos mecânicos, o que foi potenciado pelo contacto e colaboração com engenheiros

e operários muito experientes.

Referências Bibliográficas

Sérgio Mendes 66

CAPÍTULO 6. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

1. Zienkiewicz, O. C. e Taylor,. The Finite Element Method. Massachussetts : s.n., 2000. 2. www.solidworks.com. [Online] 3. www.carel.com. [Online] 4. Stribling, David. INVESTIGATION INTO THE DESIGN AND OPTIMISATION OF MULTIDECK REFRIGERATED DISPLAY CASES. s.l. : Department of Mechanical Engineering, Brunel University, 1997. 5. Silva, Valmiqui Quéli Costa Pereira da. AVALIAÇÃO EXPERIMENTAL DOS DESLOCAMENTOS E DAS CARGAS CRÍTICAS DE “BENDING-BUCKLING” EM PLACAS COMPÓSITAS. s.l. : Universidade Coimbra, 2012. 6. Silva, Luís António Henriques. A Avavaliação numerica do comportamento da bancada de um elevador . Coimbra : Univercidade de Coimbra. 7. MEIRELES, JOSÉ FILIPE BIZARRO DE. ANÁLISE DINÂMICA DE ESTRUTURAS POR. Guimarães : UNIVERSIDADE DO MINHO, 2007. 8. http://www.purmold.com/purphp/technology.php?lang=pt. [Online] 9. http://help.solidworks.com/2011/Portuguese-brazilian/SolidWorks/sldworks/LegacyHelp/Sldworks/Overview/StartPage.htm. [Online] 10. FINITOS, MÉTODO DOS ELEMENTOS. Álvaro F. M. Azevedo. s.l. : Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto, 2003. 11. Brito, Antonio Ernesto da Silva Carvalho. Análise por elementos finitos de estruturas tipo casca . Universidade Porto : s.n., 1985. 12. Almeida, Maria Inês Avó de. Comportamento estrutural de painéis sanduíche compósitos. s.l. : Universidade tecnica de lisboa, 2009. 13. www.mafirol.pt. [Online] 14. www.embraco.pt. [Online] 15. http://www.ebah.com.br/content/ABAAAAeRgAL/extensometria. [Online] 16. http://pt.scribd.com/doc/54402635/I-extensometria. [Online] 17. http://cursos.unisanta.br/mecanica/ciclo10/1088_Capitulo_3_Extensometria.pdf [Online]

ANEXOS

Sérgio Mendes 67

ANEXOS

ANEXOS

Sérgio Mendes 68

Anexo A- Características técnicas do Protótipo

.

ANEXOS

Sérgio Mendes 69

Prumo Esquerdo

ANEXOS

Sérgio Mendes 70

Prumo Direito

ANEXOS

Sérgio Mendes 71

Prumo Central

ANEXOS

Sérgio Mendes 72

Consola

ANEXOS

Sérgio Mendes 73

Anexo B-Características do Material

ANEXOS

Sérgio Mendes 74

Anexo C-Programa Elaborado em Labview

ANEXOS

Sérgio Mendes 75

Anexo D- Características da Roseta

ANEXOS

Sérgio Mendes 76

Anexo E- Características do Extensómetro

ANEXOS

Sérgio Mendes 77

Anexo F- Características do Transdutor Linear

ANEXOS

Sérgio Mendes 78

ANEXOS

Sérgio Mendes 79

ANEXOS

Sérgio Mendes 80

Anexo G- Características da Célula de Carga

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