PME 2543 Estruturas Mecânicas e de...
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PME 2543
Estruturas Mecânicas e de Veículos Notas de Aula
Prof. Leandro V. da S. Macedo
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Disciplina: PME 2543 Estruturas Mecânicas e de Veículos http://www.poli.usp.br/d/pme2543
Programa
Critério de Aprovação:
Bibliografia MORELLO et alli. "The Automotive Body" vols. I e II, Ed. Springer 1st ed., 2011, ISBN 978-94-007-0512-8.
ZIENKIEWICZ & TAYLOR “The finite element method”, McGraw-Hill, 4th ed., 1989(vol.1) e 1991(vol.2)
BAUER, H. (ed.) “Automotive handbook”, Robert Bosch GmbH, Alemanha, 2000
TIMOSHENKO & WOINOWSKI-KRIEGER, S. “Theory of plates and shells”, McGraw-Hill, 2nd ed., 27th printing 1987
CLOUGH & PENZIEN "Dynamics of Structures" McGraw-Hill, 7th printing 1986
POPOV "Introdução à Mecânica dos Sólidos" Edgard Blücher, 1978.
ALVES Fo. "Elementos Finitos - A base da tecnologia CAE", Érica, 2000.
9
32412 EPPMédia
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Programação
1 06/ago Introdução ao curso - Carroceria de um veículo de passeio - Nomenclatura - Funções - Requisitos Gerais -
Ferramenta de cálculo (Nastran/Patran) - ULSAB
2 13/ago Novos conceitos - Componentes da carroceria - Requisitos de desempenho - Critérios de Projeto -
Carregamentos de projeto - Rigidez estática - Rigidez de partes móveis
3 20/ago Análise de tensões - Critérios de Falha
4 27/ago Método matricial - Método dos elementos finitos - critérios de qualidade de malha - erros de discretização e taxa
de convergência
5 03/set Rigidez dinâmica - Análise modal - Aplicações - Atribuição dos trabalhos em grupo
10/set não haverá aula (Semana da Pátria)
6 17/set Rigidez dinâmica - Resposta em frequência - Aplicações
7 24/set Flambagem elástica - "Inertia relief" - Aplicações
8 01/out P1
9 08/out Análises não lineares - Absorção de energia, flexão inelástica e análise limite
10 15/out Esquema de solução - Eventos e fenômenos (intervalo de tempo de integração; balanço de energia) - Props.
mecânicas em altas taxas de deformação
11 22/out Amassamento de portas e teto e Ancoragens de bancos e cintos
29/out não haverá aula (Recesso escolar)
12 05/nov Desempenho em colisão ("crash") Frontal, Lateral, Traseiro
13 12/nov Proteção de Pedestres (Cabeça e Perna) e Custo de reparo (RCAR "Bumper test" e "Structural test")
14 19/nov Aplicações - Revisão e Discussões finais
15 26/nov P2
16 03/dez Apresentação dos trabalhos em grupo
PREC - Na semana anterior à de início das aulas do semestre seguinte (1º de 2012), conforme calendário
afixado na Secretaria.
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http://www.mscsoftware.com/contents/Academia/Student-Center/Academia-FAQ.aspx
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Carroceira: Função
Desempenha função de estrutura, esqueleto do veículo.
Dá suporte a todos os demais sistemas do veículo, que de alguma forma ou de outra são
fixados, montados nesta estrutura, tais como:
- motor, sistema de arrefecimento, escapamento;
- transmissão;
- suspensão dianteira e traseira;
- sistemas de freio, direção, combustível;
- bancos;
- painel de instrumentos;
- revestimentos (teto, colunas, carpetes);
- ancoragem de cintos de segurança;
- componentes elétricos (bateria, chicotes...);
- ...
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Mono-bloco (carroceria) vs. Chassis (chassis + carroceria)
O status atual de projeto padrão para veículos de passeio utiliza o conceito de estrutura
“mono-bloco” que consiste em utilizar os próprios painéis que dão a forma e aparência
exterior como elementos estruturais, em oposição ao conceito chassis+carroceria usual em
veículos comerciais, caminhões e pick-ups, onde o elemento estrutural principal é uma
plataforma formada por vigas e travessas, sendo a carroceria (painéis que formam o
habitáculo) e demais sistemas do veículo fixados, montados, nesta plataforma.
Pode haver confusão então com a definição mais ampla e atual dos sistemas de chassis, que
englobam os sistemas de suspensão, direção, freios, rodas e pneus e combustível.
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DMU – Digital Mock-up
Produto / Protótipo
Design &
Package
Carroceria
Acabamento
Chassis
Elétrica
Motorização
Ensaios Estáticos
Ensaios de
Durabilidade
Ensaios de
Segurança
Veicular
CAE
Análise Modal
Otimização
de Custo Estampabilidade
Manufaturabilidade
Fábrica Virtual
Rodagens
CAD
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Conceito / Estilo
Engenharia
de
Produto
Engenharia
de
Manufatura
Mercado
Mercado / Marketing
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Simulação
Construção Experimental
BUSCA DE CONFIABILIDADE
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Viabilizar Prazos curtos
+
Altos requisitos de desempenho
+
Custo otimizado
Simulação
Virtual
Manter Competitividade
Redução de Custos
de Desenvolvimento
Testes
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Conceito / Estilo
CAD
CAE
Protótipos - Construção
Protótipos - Testes
Testes
Pesquisa de fornecedores Obtenção de peças
Conceitos de Manufatura Preparação para produção
Fabricação de Ferramentas
Liberação para
construção de
protótipos
Liberação para
construção de
ferramentas
Aprovação de
conceitos
Cronograma de Projeto
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Do Estilo ao Produto
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Estilo
“Sketches” à mão e no
computador
Visualização foto
realística em 3D
“Virtual Reality Center”
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Modelos em escala em Clay
O “scanning” digital 3D dos
modelos Clay acelera a criação de
modelos obtendo uma nuvem de
pontos de alta densidade e
precisão para a construção das
superfícies digitais.
Estilo
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http://www.cardesignonline.com/design/modelling/clay-modelling.php
Modelos em Clay 1:1
Usinagem de um
modelo em Clay
1:1 a partir de
modelos em
CAD
Usinagem de um modelo em espuma de alta
densidade partir de modelos em CAD Estilo
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Conceito Plataforma e Derivativos
Hatch
Sedan
Station Wagon
Monovolume
Pick-up
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Estabelecendo as Dimensões Gerais – “PACKAGE”
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Carroceira: Dimensões
A definição das dimensões do veículo são função de:
- tipo de veículo;
- tipo de motorização;
- tipo de sistema de transmissão (dianteira, traseira, tração em 4 rodas...);
- espaço interior desejado;
- posição dos ocupantes desejada (ergonomia, ponto H, padrões humanos 5% mulher a 95%
homem, elipse dos olhos, visibilidade, envelope de alcance de mão, posição de pedaleira...);
- volume de bagagem desejado;
- posição do estepe;
- envelopes de roda;
- envelope de motor;
- envelope de sistemas de suspensão e direção (eixo traseiro...);
- volume de tanque de combustível;
- sistema de escapamento;
- curvatura (design) das superfícies externas;
- espaço para eixos de portas e tampas;
- vão livre do chão;
- considerações sobre aerodinâmica;
- considerações sobre dinâmica veicular, suspensão, direção, conforto, dirigibilidade;
- considerações sobre segurança veicular (proteção de ocupantes e de pedestres);
- requisitos legais (placas de licença, posicionamento de lâmpadas e retrovisores);
- ...
As dimensões longitudinais são fortemente influenciadas pela altura do ponto H.
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Sistema de medição conforme European Car Manufacturers Information Exchange Data
(ECIE) (similar ao sistema da Society of Automotive Engineers (SAE):
Unidades do SI:
Comprimentos/larguras/alturas [mm]
Áreas [m2]
Volumes [m3]
Ângulos [graus]
1-99 dimensões internas
100-199 dimensões externas
200-299 dimensões do compartimento de bagagem
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Medição do Volume de Bagagem
Cálculo do volume conforme DIN 70020: “Quantidade de blocos rígidos de 200 x 100 x 50 mm
(1 litro) que podem ser acomodados no espaço de bagagem.”
Motivação deste tipo de normatização: o volume contínuo não é representativo da capacidade
de armazenamento porque usualmente as cargas são pacotes discretos.
Para obter um resultado ótimo, isto é conseguir aproveitamento máximo, um especialista gasta
várias horas de trabalho.
Pode ser estimado na fase de projeto pela colocação manual dos blocos utilizando uma
ferramenta de CAD.
Também já existem “softwares” para automatização da distribuição dos blocos utilizando-se de
técnicas matemáticas de geometria computacional e otimização numérica.
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Requisitos Técnicos e Econômicos Gerais
Requisitos Funcionais (Abertura de portas e tampas, vidros, folgas, vão livre do solo, espaço
de bagagem...)
Durabilidade
Manufaturabilidade (estampabilidade,
sequência de armação, disponibilidade de
tecnologia,...)
Reciclagem Desempenho em Crash - Proteção de
Ocupantes e Pedestres
Capacidade de suprimento
Estrutura para produção em massa
Rigidez - Ruído e Conforto - NVH
Ergonomia (Espaço interno, Posicionamento de bancos, Visibilidade...)
Aerodinâmica (consumo de combustível, estabilidade direcional, acúmulo de sujeira, ruído...)
Custo de Reparo
Custos de peças, ferramental,
armação, logística
Design (externo, interno, zonas cinzentas, “fuges”)
Resistência à corrosão
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Drag coefficient Front axle lift
coefficient Rear axle lift
coefficient Onde:
r = massa específica do ar
v = velocidade do ar
A = área frontal projetada
CdAvρ2
1F 2
0x
Avρ2
1
FCd
2
0x
ClfAvρ2
1F 2
lf
Avρ2
1
FClf
2
lf
ClrAvρ2
1F 2
lr
Avρ2
1
FClr
2
lr
Sustentação aerodinâmica
Aerodinâmica
Arrasto consumo de combustível
emissões
velocidade máxima
Sustentação estabilidade direcional
velocidade máxima
Arrasto aerodinâmico
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Sendo o sistema de forças devido à pressão aerodinâmica sobre a superfície do veículo,
reduzido ao pólo “O” (0, 0, 0) (origem do sistema de coordenadas) dado por:
Reduzindo novamente para o ponto de contato com o solo:
OM;F
kFjFiFF zyx
lrlfz FFF
kMjMiMM VzVyxVV
DFM lrVy D
MF
Vy
lr D
MFF
Vy
zlf
Tomando o sistema equivalente à resultante vertical e o momento por um sistema de
forças verticais aplicados nos contatos das rodas com o solo: :
Onde: e
O
F
M0
Mv V
F
O Dz
Dx
O
V H Flf Flr
F0x
D
FVOMM;F OV
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Aerodinâmica
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Aerodinâmica
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Sequência de Armação
Estampabilidade
Largura de “gaps” (“Fugen”)
Soldabilidade (~ 5000 pontos de solda em até ~200 m de flange)
Diferentes tipos de solda (pontos, cordões, por projeção)
Aplicação de cola
Furos para escoamento de pintura (evitar bolhas proteção contra corrosão)
Manufaturabilidade
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SUCESSO
SUCESSO
RUPTURA RUPTURA
FRATURA
ESTRICÇÃO
Estampagem Estiramento
Estampabilidade: Curva limite de conformação - CLC
Estampagem Estiramento Flangeamento
D0
D1
D2
1 = (D1-D0)/D0 (+)
2 = (D2-D0)/D0 (-)
Cálculo de 1 e 2
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MATRIZ
PUNÇÃO
Fatores que afetam a posição das CLC:
• Diâmetro dos círculos da rede
• Espessura da chapa (limite atingido
primeiro em espessuras muito finas ou
muito grossas)
• Trajetória da deformação (melhor
primeiro estampar e depois estirar)
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Aço 1 Aço 2
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Simulação de Estampagem
• Projeto de ferramental
• Formabilidade (trincas, nervuras, redução de espessura)
• Compensação de ferramenta (correção de “spring-back”)
Estampabilidade: Simulação de estampagem
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Estampabilidade: Simulação de estampagem
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Pontos de fixação para clips plásticos e outros componentes
Pinos TuckerTM
Fixação sem necessidade de furação de chapas
Pino soldado à chpa por arco elétrico com alimentação automática de pinos
A forma cônica do flange de solda tem a função de estabilizar e centralizar o arco elétrico
retirado, e conseqüentemente contribui para uma qualidade de solda livre de falhas
Diversos tipos de rosca, tamanhos, diâmetros, material (aço,
aço, inox, bronze), proteção superficial
Aplicações:
• Fixação de módulos
• Fixação de componentes
• Substituição de parafusos / prisioneiros / porcas
Aplicações:
• Fixação de módulos
• Fixação de componentes
• Substituição de parafusos / prisioneiros / porcas
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Componentes
Painéis metálicos estampados (painés externos/externos – teto, laterais,
assoalhos,portas, tampas)
Peças metálicas estampadas (reforços, suportes, travessas)
Elementos metálicos tubulares (longarinas)
Vidros, componentes plásticos,…
Uniões
soldadas (pontos de solda, cordões de solda, solda laser) rebites, cola
estrutural, cola não estrutural)
parafusadas
Materiais
aços comum
aços de alta resistência
alumínio
plásticos
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Conjuntos que formam a carroceria:
Plataforma dianteira:
Parachoques dianteiro
Front-end (Arrefecimento do motor, condensador AC, intercoller, reforço de fechadura tampa)
Longarinas dianteiras (coxinização de motor e câmbio, suporte de bateria)
Caixas de roda (suporte de perna de mola)
Longarinas superiores
Caixa d’água (limpadores de parabrisa)
Painel corta-fogo (pedaleira)
Assoalho dianteiro (bandejas, semilongarinas, reforços dianteiros, reforços de ancoragem da
suspensão, suportes de trilho de banco, travessas)
Túnel (reforços longitudinais, reforço de freio de mão, reforço ponte sob o túnel)
Soleira (chapa de reforço, reforços locais anti-colapso)
Coluna A inferior (reforço de dobradiças e limitadores de porta, reforço de ancoragem da travessa
do painel de instrumentos)
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Plataforma traseira:
Assoalho traseiro anterior (travessas, ancoragem de banco, ancoragem de cintos, ancoragem de
tanque de combustível, ancoragem de escapamento)
Assoalho traseiro posterior (alojamento do estepe, ancoragem de escapamento)
Longarinas traseiras (ancoragem de suspensão traseira)
Caixas de roda (ancoragem de suspensão traseira – mola e amortecedor, ancoragem de cinto)
Painel traseiro
Parachoque traseiro
Chapéu (“Hut”):
Coluna A superior (reforço de coluna)
Coluna B (ancoragem de cinto, ancoragem de desviador do cinto, reforços para colisão lateral,
reforços de dobradiças e limitadores de porta traseira)
Coluna C (e/ou D) ancoragem de cinto, ancoragem de desviador de cinto
Travessa dianteira do teto (suporte do parabrisa)
Travessa intermediária do teto
Travessa traseira do teto (reforços de dobradiças de tampa traseira, ancoragem de cinto 3 pontos)
Teto
Porta-chapéu
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Portas:
Painel externo
Painel interno
Reforço de dobradiças
Reforço de fechadura
Reforço de vão da janela (externo e interno)
Reforço contra impacto lateral
Quadro superior e trilhos de vidro
Tampa dianteira:
Painel externo
Painel interno
Reforço de dobradiças
Reforço de fechadura
Reforço de apoio de mãos
Tampa traseira:
Painel externo
Painel interno
Reforço de dobradiças
Reforço de fechadura
Reforço de mola a gás
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Vedação de cavidades ruído
Expansível térmico durante secagem da pintura
Cavalete
função estrutural
em “crash” lateral
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Limitador de abertura de porta
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Compensação da
carga de vedação
na ferramenta do
quadro superior da
porta
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Vedação do vidro das portas:
-Esforço de abertura e fechamento
- eficácia da vedação ruído de vento, conforto
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ULSAB
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ULSAB uses 90.9%
high strength steels1.5%
2.5%
2.7%
45.0%
13.5%
27.1%
7.6%
Aço Sandwich
>550 MPa
420 MPa
350 MPa
280 MPa
210 MPa
140 MPa (Mild)
LE > 550MPa
uso de aços de alta resistência
uso de tailored blanks
solda a laser
processo hydroforming
Consórcio ULSAB
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“Tailor Welded Blanks”
Diferentes espessuras de chapas soldadas a laser
Elimina reforços
Reduz o número de partes, ferramentas, soldas
Melhor desempenho em crash
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Dificuldades:
Projeto complexo
Variação de aços e espessuras
Condições especiais de
conformação
Vantagens:
Constituída de uma única peça
Eliminação de reforços
Redução de massa e custo
Especificação ULSAB p/ Lateral externo:
Escoamento: 210 MPa até 350 MPa
Usa 5 espessuras: 0.7 mm até 1.7 mm
Peça estampada
Usa “taylor blank” soldado a laser
“Tailor Welded Blanks”
Diferentes espessuras de chapas soldadas a laser
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Hydroforming
Etapa 1 - Pré-dobramento
Etapa 2 - Aplicação de pressão
Etapa 3 - Peça pronta
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Aplicação de adesivo para unir flanges
Painel externo unido por WB ao corpo estrutural
Aumento da durabilidade e rigidez em torção e dobramento
Weld Bonding – Cola estrutural
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APX by Lotus Engineering
(Aluminium Performance
Crossover')
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Jaguar all aluminum car
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BMW’s E1 (elétrico) de 1991
usava uma combinação de perfis
extrudados de alumínio e painéis
externos de alumínio e plástico
para uma construção de
carroceria de peso reduzido.
ASF – AUDI SPACE FRAME - 100% alumínio
A8, R8, TT
Mais de 550.000 carros produzidos
Lamborghini: mais de 9000 carros produzidos
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FIM Primeira aula