A Análise Estrutural Dinâmica por Método de Elementos Finitos em um Ar Condicionado para Cabine do motorista de Ônibus

PÓS-GRADUAÇÃO EM ANÁLISE ESTRUTURAL PREDITIVA, UNIVERSIDADE DE CAXIAS DO SUL — JUNHO, 2018

Análise Estrutural Dinâmica por Método de Elementos Finitos em um Ar Condicionado para Cabine do motorista de Ônibus

Rodrigo Diogo Vergani*

Resumo

O objetivo deste trabalho é avaliar o projeto de um ar condicionado para cabine do motorista de ônibus. Para isso foi realizado uma análise estrutural dinâmica através do método de elementos finitos onde o sistema foi ajustado para um ambiente virtual de maneira a representar a realidade dos esforços e apoios envolvidos. Com os resultados encontrados, pode-se aprovar o projeto do ar condicionado. Além disso, surgiram melhorias reduzindo custos do projeto.

Palavras-chave

Ar condicionado, Elementos Finitos.

Dynamic Structural Analysis by Finite Element Method in an Bus FrontBox

Abstract

The objective of this work is to evaluate a rooftop bus air conditioning chassis and to demonstrate the failure found by the vibration test carried out in Germany. A static structural analysis will be performed through the finite element method, where the system will be adjusted to a virtual environment in order to represent the reality of the efforts and supports involved. With the results found, we can consider that our mathematical model can represent the system in a real way. Suggesting possible improvements in order to avoid component breaks and avoid new validations by returning the product to new tests, reducing project costs.

Keywords

Air conditioning, Finite Elements.

1. Introdução

Cada vez mais a indústria automotiva mundial busca novas tecnologias para melhorar a o conforto dos passageiros dentro dos veículos. No ramo de veículos pesados de transporte de passageiros, composto pelos ônibus, a utilização do ar condicionado é de extrema importância para que se mantenham os níveis de conforto térmico e qualidade do ar adequada para os ocupantes, especialmente quando os percursos da viagem são longos e as condições climáticas são intensas.

Então e imprescindível que este tipo de equipamento não apresente falha. Num ramo competitivo, os engenheiros devem sempre prezar pela busca de novas soluções para redução de custos de fabricação. Entretanto muitas vezes, reduzir o custo de fabricação implica na redução de espessura de chapas e ou modificações de perfis extrudados. Contudo estas alterações que buscam melhorar a competitividade em relação ao custo do produto podem acarretar em falhas por fadiga na estrutura do ar condicionado.

Neste caso o trabalho trata de uma analise de um projeto de um ar condicionado para cabines do motorista de ônibus. Usualmente chamado de defroster, este aparelho tem a função de climatização, aquecimento e desembaciamento do vidro frontal do ônibus. A função de desembaciamento é considerada como um item de extrema criticidade, pois se ocorrer alguma falha no aparelho ou mesmo deixar de funcionar, pode afetar a dirigibilidade do motorista, por conseguinte, a segurança dos passageiros. Se isso ocorrer, pode fazer com que o ônibus não rode.

O objetivo deste trabalho é avaliar através da análise de elementos finitos o comportamento dinâmico neste equipamento avaliando o comportamento através de uma analise modal e dinâmica.

[pic 1]

Figura 1. Defroster montado no painel do ônibus.

1. Material e Métodos

O defroster é composto por chapas de alumínio formando uma base estrutural e um difusor de ar em plástico ABS. O equipamento é fixo internamente no veiculo por dois parafusos nas laterais e um na base. As chapas estruturais tem espessura de 1,5 mm e as chapas para fixação de 2 mm.

Conforme dito anteriormente, para à aprovação deste ar condicionado vai ser realizada uma analise harmônica, na qual é utilizada para determinar a resposta em regime permanente de uma estrutura a um carregamento senoidal (harmônico) de frequência conhecida. Primeiro vai ser avaliado a análise modal para determinar as características de vibração de uma estrutura, encontrando as frequência  naturais da estrutura e os modos de vibrar do produto. Para isso, serão avaliados os seguintes procedimentos:

1. Materiais

Para a análise por método harmônico de elementos finitos se assume que o material é isotrópico e homogêneo que a relação entre tensão e deformação também é linear. A solução trata de regime permanente, portanto, efeitos transitórios que ocorrem no começo da excitação são ignorados. As principais características dos materiais necessárias para a correta representação serão apresentadas abaixo. Neste caso, como não se pode ultrapassar o limite de escoamento do material, ele deve se manter dentro do limite linear elástico.

Para as especificações de matéria-prima das chapas foi utilizado alumínio 5052-O com as seguintes características (norma ABNT NBR 7823:2007):

• Limite de escoamento: 65 Mpa
• Alongamento: 19%
• Módulo de elasticidade/ Young: 70,3GPa
• Coeficiente de Poisson: 0,33

Já as especificações do ABS de alto impacto (norma ASTM D638):

• Tensão de Escoamento: 42.2 Mpa
• Resistência à Flexão: 62,8Mpa

Além disso, foram criados três materiais e alterado a densidade para representar o peso real dos componentes: serpentina de evaporadora, serpentina de aquecimento e ventilador radial.

1. Preparação Geométrica

Para a inserção do conjunto no ambiente virtual de análise o mesmo deve passar por um tratamento geométrico do modelo 3D no “SpaceClaim”. Todas as chapas foram transformadas em cascas. Além disso, o difusor em ABS também foi transformado em casca devido ao fato de sua superfície ser constate.

As geometrias das chapas foram simplificadas, removendo dobras, raios e furações em regiões que não eram necessários para facilitar a geração da malha no passo seguinte. Componentes como ventiladores e serpentinas foram simplificados e tratados como peças sólidas.

[pic 2]

Figura 2. Representação simplificada da geometria utilizando o software “SpaceClaim”.

1. Contatos

Para a representação dos contatos foram utilizados três métodos diferentes. O primeiro método foi utilizado o contato “bonded” para fixar o ventilador na chapa de manutenção.