Confecção de Projeto Baja gaiola

Análise estrutural

A primeira consideração a ser feita é a de que serão avaliados apenas os esforços atuantes na estrutura tubular da gaiola (em amarelo Figura 2), ou seja, sistemas como chassi, suspensão, direção etc serão desconsiderados da análise já que estes devem estar previamente dimensionados do veículo do qual foram retirados.

Seguindo os objetivos propostos para o projeto, as simulações e análises que seguirão terão fundamentalmente o intuito de reduzir massa mantendo uma resistência estrutural adequada para veículos fora-de-estrada segundo o método utilizado.

O método de análise proposto (Brown & Robertson, 2001), pressupõe que a estrutura dimensionada é suficientemente resistente de maneira que não haverá falhas de solda ou conexões. Isso significa que, somente cargas que causem deformações elásticas na estrutura serão estudadas, portanto, é recomendado que esse estudo seja utilizado na fase inicial de um projeto.

As principais cargas sofridas por um veículo são a flexão, dada pelo próprio peso dos componentes e elementos do carro e/ou por um carregamento simétrico aplicado no veículo, e a torção. O caso de torção pura, como será visto adiante, não ocorre isoladamente em situações reais, estará sempre combinado com o caso de flexão já que a gravidade sempre atuará. Tratando esses dois casos com o princípio da superposição, o caso real de torção poderá ser analisado.

Outros casos que serão brevemente estudados serão o carregamento lateral que ocorre numa situação de curva, e as cargas longitudinais que surgem com as desacelerações do veículo. No entanto, para fins de dimensionamento, apenas a flexão, torção pura e torção combinada com a flexão serão considerados.

Como se vê, não faz parte do escopo desse projeto uma análise dinâmica profunda, no entanto, Jason Brown ressalta que, para um projeto que esteja num estágio inicial de desenvolvimento (como no caso deste trabalho), é razoável considerar que uma estrutura veicular dimensionada adequadamente para casos estáticos extremos,  utilizando o método proposto em Motor Vehicle Structures, estará conseqüentemente dimensionada para uma satisfatória vida de fadiga.

[pic 1][pic 2]

Para tanto, estima-se as forças equivalentes aplicadas à estrutura em diversas situações como, flexão, torção frenagem etc, multiplicando-se as cargas estáticas calculadas por um fator dinâmico de modo a adequar o estudo estático ao dinâmico.

               

                                 

Figura 1

     

      Carga vertical simétrica (flexão pura) A flexão pura do veículo ocorre quando as duas rodas de um eixo encontram um obstáculo simétrico simultaneamente, como exemplo no caso de uma lombada. Para fins de dimensionamento (Pawlowski, 1969), para veículos fora-de-estrada, a carga de flexão que o veículo estará sujeito deve ser multiplicada por um fator dinâmico 4. Então, a flexão natural do veículo, dada pelo peso próprio da estrutura e de seus componentes, deve ser 4 vezes maior, ou seja, na simulação deverá atuar uma gravidade dada por g=9,81 =39,24m/s²  . O engastamento deve ser feito de maneira que apenas a resultante no eixo Z seja diferente de 0. A representação do engastamento, bem como as respostas da simulação são apresentadas nas figuras abaixo.

[pic 3]

Figura 2. Carregamento na flexão pura

[pic 4]

Figura 3. Tensão de Von-Mises correspondente ao ponto C na flexão

[pic 5]

Figura 4. Tensão de Von-Mises correspondente ao ponto D na flexão

        

É importante ressaltar que as respostas para elementos de viga são dadas em função de determinados pontos característicos da seção transversal Figura 5. No caso da gaiola, como a seção é circular e simétrica em relação à linha elástica, as respostas são iguais duas a duas, C=E e D=F.[pic 7][pic 6]

        

Figura 5. Perfil circular e as posições das regiões C, D, E, F

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As tensões máximas de Von-Mises obtidas e apresentadas nas Figura 9 e Figura 10 são respectivamente 22,0 MPa e 29,8 MPa. As regiões de tom mais avermelhado correspondem àquelas de maior solicitação.

Através  do  software  também  é  possível  obter  as  reações  nos  apoios  dianteiros e traseiros.  São  esses, respectivamente em cada ponto da suspensão dianteira e  na roda traseira.

1. Carga vertical assimétrica (torção pura)

Este tipo de carregamento ocorre quando apenas uma das rodas de um eixo atinge um obstáculo. Cargas verticais assimétricas provocam tanto torção, quanto flexão pura (calculada anteriormente) à estrutura. Por esse motivo esse caso é tratado como sendo o mais severo.

A torção máxima ocorre quando uma das quatro rodas do veículo é erguida até que alguma outra  das três desencoste do chão. Fazendo-se então um equilíbrio de forças a partir das dimensões do veículo obtidas anteriormente, temos que, para a gaiola nessa situação, a torção máxima sofrida é igual a 3181Nm.

Jason Brown sugere que o torque gerado nessa situação, seja aplicado à estrutura como uma torção pura, para  isso a componente de flexão deve ser desprezada, deixando apenas as cargas dianteiras e traseiras de torção aplicadas em sentidos opostos. Isso pode não ocorrer na prática, contudo a torção pura é importante, pois gera esforços internos à estrutura que não ocorreriam numa situação de carregamento combinado. Para se fazer uma simulação utilizando apenas forças sem nenhum tipo de engastamento, o solver Nx-Nastran® apresenta uma ferramenta denominada Alívio de Inércia, utilizada para simulações de aeronaves em voo, automóvel numa pista de ensaio, ou de um satélite no espaço que permite aplicar esforços sem engastamento. Para isso software assume que a inércia (massa) da estrutura é usada para resistir às cargas aplicadas, ou seja, assume-se que a estrutura está em um estado de equilíbrio estático mesmo que não esteja restrita