Análise Estrutural de um feixe de molas

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Análise estrutural de um feixe de molas

Diego Izawa Aida

Victor da Cunha Furquim Rangel de Almeida

Vinícius Mateus de Sousa

Yuri Souza Alves

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Universidade de Brasília. Faculdade do Gama

Área Especial de Industria Projeção A,  DF-480 - CEP 72444-240 – Gama – DF – Brasil

Resumo: Este trabalho apresenta uma análise numérica via elementos finitos de um componente de suspensão, o feixe de molas. Foi aplicada uma malha considerando a qualidade do elemento e escolhido um elemento de referência com intuito de garantir a precisão numérica. Foram aplicadas condições de contorno e cargas para observar o comportamento estrutural. A análise estática determinou a tensão e deformação máximas que o feixe de molas conseguiu suportar, estes resultados foram analisados e comparados com as propriedades do material utilizado na construção do feixe de molas.

Palavras-Chave: Feixe de molas, Análise estática, Elementos finitos, Tensão, Deformação.

1. INTRODUÇÃO

        As ferramentas de análise via elementos finitos utilizam métodos numéricos para obter resultados aproximados, para isto subdividem o objeto em várias pequenas partes chamadas elementos que são interligadas. Cada tipo de elemento possui uma equação para descrever seu comportamento e a soma das respostas de todos os elementos resulta na resposta total do objeto. (MEDINA et al., 2005)

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Figura 1 - Tipos de elementos. (Fonte: Adaptado de MEDINA et al., 2005)

        Uma boa aproximação para o método dos elementos finitos em relação às estruturas reais depende da escolha do elemento, da geração de malha e de condições de contorno bem definidas para que as funções de forma do elemento consigam descrever melhor o comportamento deste. (MARTHA, 1994)

        Os elementos estarão ligados entre si através dos nós, que possuem graus de liberdade e cada grau de liberdade está associado a uma rigidez, portanto o elemento possui uma matriz  a define. É possível ainda montar a matriz global de rigidez através da Eq. (1).[pic 3]

                                                                                        (1)[pic 4]

        As forças  são discretizadas, considerando que são aplicadas diretamente nos nós, o que provoca deslocamentos  nestes. Portanto é possível relacionar força, rigidez e deslocamento dentro do elemento através da Eq. (2) e para o sistema global através da Eq. (3).[pic 5][pic 6]

                                                                                (2)[pic 7]

                                                                                (3)[pic 8]

        Com isso é possível determinar os deslocamentos de cada nó e, com a função de forma do elemento, determinar os deslocamentos dentro do elemento. Obtendo os deslocamentos é viável obter as deformações e por consequência as tensões dentro do objeto analisado.

1. DESCRIÇÃO DO OBJETO

Uma mola é definida como um corpo elástico, cuja função é distorcer quando carregado e recuperar forma original quando a carga é removida. Os feixes de mola absorvem as vibrações do veículo, choques e cargas de impacto, produzidos pelo perfil de pista, por meio de deflexões da mola. O amortecedor é um componente da suspensão que trabalha em conjunto com a mola, que tem por finalidade armazenar energia e depois liberar lentamente (GOWD, et al, 2012).

De acordo com GOWD, et al (2012), o feixe de mola é quase universalmente usado em suspensão de veículos leves ou pesados que levam carga, normalmente o sistema é implementado no eixo traseiro. A carga total do veículo repousa sobre o feixe, as duas extremidades da estrutura são conectadas ao chassi. O jumelo, representado na figura (1), é o elo flexível que conecta entre o suporte traseiro e a estrutura da mola.

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Figura 1 - Ponto de fixação com jumelo (Fonte: adaptado de WAGNER, 2005).

O material utilizado nas análises será o aço estrutural ASME BVP com uma densidade de 7850Kg/m³, resistência ao escoamento de 250MPa, resitência máxima de tração de 460MPa, coeficiente de Poisson de 0,3, módulo de elasticidade de 200GPa. A escolha deste material se deu por conta de ser o mais utilizado na indústria e pelo seu módulo de elasticidade ser adequado para o problema em questão.

O elemento utilizado foi o BEAM189, ele é apropriado para analisar estruturas finas de viga. O elemento é baseado na teoria de viga de Timoshenko, esta que inclui, também, efeitos de deformação de cisalhamento. Este tipo de elemento é definido apenas na forma quadrática com 3 nós por elementos em 3 dimensões e 6 graus de Liberdade em cada nó. Este tipo de elementos é recomendado para vigas de seção transversal fina e robusta, que sofrem grandes deslocamentos.

A seção transversal do feixe de molas tem dimensões de 22 mm de altura e 50 mm de largura, e ela está representada abaixo na Figura 2. O feixe de molas tem comprimento de 1.200 mm e raio de curvatura de 160 mm.

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Figura 2 - Seção transversal do feixe de molas

1. METODOLOGIA

A análise foi conduzida através da ferramenta CAE, Ansys, no ambiente APDL. Para começar a análise, partimos das condições de contorno abaixo:

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                         Figura 3 - Condições de contorno

        De acordo com a imagem acima, nos apoios A e B serão impedidos os deslocamentos em X, Y e Z, ou seja sendo engastado nas duas extremidades. Por ser uma estrutura quadrada, o formato dos elementos da malha forma quadráticos com um tamanho de 0,5.