anÁlise estrutural estÁtica do sistema de descarga de uma colheitadeira utilizando o software...
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Renan Tassinari Alves
ANLISE ESTRUTURAL ESTTICA DO SISTEMA DE
DESCARGA DE UMA COLHEITADEIRA UTILIZANDO O
SOFTWARE ANSYS
Horizontina2012
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Renan Tassinari Alves
ANLISE ESTRUTURAL ESTTICA DO SISTEMA DE
DESCARGA DE UMA COLHEITADEIRA UTILIZANDO O
SOFTWARE ANSYS
Trabalho Final de Curso apresentado como
requisito parcial para a obteno do ttulo deBacharel em Engenharia Mecnica, pelo Cursode Engenharia Mecnica da FaculdadeHorizontina.
ORIENTADOR: Richard Thomas Lermen, Doutor em Engenharia.
Horizontina
2012
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FAHOR - FACULDADE HORIZONTINA
CURSO DE ENGENHARIA MECNICA
A Comisso Examinadora, abaixo assinada, aprova a monografia:
Anlise estrutural esttica do sistema de descarga de uma colheitadeira
utilizando o software ANSYS
Elaborada por:
Renan Tassinari Alves
Como requisito parcial para a obteno do grau de Bacharel em
Engenharia Mecnica
Aprovado em: 10/12/2012
Pela Comisso Examinadora
________________________________________________________Prof. Dr. Richard Thomas Lermen
Presidente da Comisso Examinadora - Orientador
_______________________________________________________Prof. Dr. Ademar Michels
FAHORFaculdade Horizontina
______________________________________________________Prof. Me.Ricardo Ferreira SeveroFAHORFaculdade Horizontina
______________________________________________________Prof. Me. Anderson Dal Molin
Coordenador do Curso de Engenharia Mecnica - FAHOR
Horizontina2012
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DEDICATRIA
minha me Glria e meus avs Ronie Nelci, por todos os exemplos, ensinamentos,apoio e dedicao durante toda a minha vida.
minha amada companheira Cludiapelo apoio, pacincia e motivao para seguirem frente.
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AGRADECIMENTOS
Primeiramente gostaria de agradecer aDeus por sempre estar ao meu lado.
minha famlia, que sempre me apoioue me incentivou a seguir em frente e nuncadesistir.
Aos professores e funcionrios daFAHOR, pelos ensinamentos e exemplos querecebi durante toda a graduao. Em especialao professor Richard pela dedicao aplicadadurante o desenvolvimento deste trabalho.
AGCO, que me acolheu muito bem epermitiu que realizasse este trabalho. Emespecial ao meu gerente Zenir e ao meuorientador Alberto.
Aos meus colegas, que se tornaramgrandes amigos ao longo desta jornada.
Desejo-lhes muito sucesso e satisfao.
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RESUMO
O trabalho consiste na realizao de uma anlise estrutural esttica, atravsdo mtodo de elementos finitos, de uma estrutura tubular do sistema de descarga de
gros de uma colheitadeira. O objetivo do estudo identificar na estrutura os pontoscom as maiores concentraes de tenses e avaliar a confiabilidade da estrutura. Aanlise foi executada no mdulo Mechanical do ANSYS para a condio onde seespera que ocorram as maiores deformaes. Para a formulao do problema foramconsiderados o efeito das juntas parafusadas e unies soldadas existentes entre oscomponentes da estrutura. Os resultados foram representados graficamente atravsdas deformaes totais e das tenses de von Mises. O estudo provou que aintegridade da estrutura no foi comprometida para as condies de contornoaplicadas.
Palavras-chaves:Anlise estrutural Mtodo de elementos finitos Sistema de descarga de
gros
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ABSTRACT
This paper consists of carrying out a static structural analysis, by the finiteelement method, of a tubular discharge system of a grain combine harvester. Theobjective of the study is to identify structure points with the highest stress
concentrations and assess the reliability of the structure. The analysis was performedin ANSYS Mechanical undo the condition where it is expected that the greatestdeformation occurs. In order to formulate the problem, the effect of bolted joints andsoldered joints between the components of the structure were considered. Theresults were plotted using the total deformation and von Mises stresses. The studyproved that the structural integrity was not compromised within the boundaryconditions imposed.
Keywords:Structural analysis - Finite element method - Grain unloading system
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LISTA DE FIGURAS
Figura 1: Cubo de tenses. ..................................................................................................................4Figura 2: Malha de elementos finitos.................................................................................................8Figura 3: Graus de liberdade em um ponto......................................................................................9Figura 4: Tipos de elementos............................................................................................................10Figura 5: Resultado do refinamento da malha. ...............................................................................11Figura 6: Posies do sistema de descarga...................................................................................12Figura 7: Componentes do sistema de descarga...........................................................................13Figura 8: Pontos A e B de fixao do sistema de descarga Turrent...........................................14Figura 9: Vista em corte dos pontos de mancalizao. .................................................................14Figura 10: Condies de contorno aplicadas ao sistema de descarga......................................16Figura 11: Unio atravs do cordo de solda.................................................................................16Figura 12: Cilindro utilizado para representar o parafuso. ............................................................17Figura 13: Vista em corte da junta parafusada...............................................................................18Figura 14: Mancalizao do ponto B. ...............................................................................................18Figura 15: Mancalizao do ponto A. ...............................................................................................19
Figura 16: Fora aplicada ao sistema de descarga.......................................................................19Figura 17: Distribuio da malha de elementos finitos. .................................................................20Figura 18: Deformaes resultantes em mm. .................................................................................22Figura 19: Tenses de von Mises. ....................................................................................................22Figura 20: Tenses de von Mises no tubo vertical.........................................................................23Figura 21: Tenses de von Mises na curva....................................................................................23Figura 22: Tenses de von Mises no tubo horizontal....................................................................24
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LISTA DE SIMBOLOS
rea m Comprimento inicial m
Comprimento final m
Coeficiente de Poisson Deformao m Distoro m Energia de distoro W Fora N Mdulo de elasticidade transversal Pa
Mdulo de Young Pa
Tenso normal Pa Tenso de cisalhamento Pa Tenso de von Misses Pa Tenso mxima de cisalhamento Pa
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SUMRIO
1. INTRODUO .....................................................................................................................................1
2. REVISO DA LITERATURA ...............................................................................................................3
2.1 PRINCPIOS DA RESISTNCIA DOS MATERIAIS............................................................... .................. 32.1.1TENSES E DEFORMAES.............................................................. ............................................................. 32.2TEORIADEFALHAS............................................................. ................................................................. ....... 62.2.1TEORIA DA ENERGIA DE DISTORO (VON MISES).................................................................. ..................... 62.3ANLISEDEELEMENTOSFINITOS....................................................................................... .................. 72.3.1MTODO DE ELEMENTOS FINITOS................................................................................................................. 72.3.2ESCOLHA DOS ELEMENTOS.................................................................................................................... ....... 92.4COLHEITADEIRADEGROS........................................................ ........................................................... 112.4.1SISTEMA DE DESCARGA DE GROS............................................................ ................................................. 12
3. METODOLOGIA ............................................................................................................................... 13
3.1.ANLISEPRELIMINAR............................................................................................................................. 133.2.PR-PROCESSAMENTO......................................................................................................................... 16
3.3.RESOLUODOPROBLEMA................................................................ ................................................. 20
4. APRESENTAO E ANLISE DOS RESULTADOS ..................................................................... 22
CONSIDERAES FINAIS .................................................................................................................. 25
REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS..................................................................................................... 26
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1. INTRODUO
Durante a colheita, a colheitadeira est submetida a diversos esforos
e oscilaes causados por fatores externos, muitas vezes imprevisveis. Um
exemplo so as desuniformidades e imperfeies existentes nos solos das
lavouras. Mesmo assim, necessrio que os fabricantes forneam produtos
que suportem estas variaes, sem prejudicar sua funcionalidade e integridade
at o fim da vida til estipulada para o produto. Para que isso acontea
necessrio que as colheitadeiras passem por diversas etapas de validao, as
quais podem ser atravs de modelos fsicos ou virtuais, e homologao at o
seu lanamento.
Nos perodos de testes fsicos, em condies de colheita busca-se,
geralmente, aperfeioar os sistemas de trilha, separao e limpeza, que so os
que mais influenciam na eficincia da colheitadeira. Alteraes de projeto e
falhas nesta etapa podem prejudicar o lanamento do produto porque as
janelas de colheitas esto tornando-se cada vez mais curtas e a rotao das
culturas plantadas pode gerar intervalos de at um ano at que se repitam as
mesmas condies. E isto resultar em prejuzo para a empresa.
esperado que sistemas auxiliares como o de descarga de gros j
estejam funcionando corretamente e no prejudiquem os testes dos outros
sistemas. Uma maneira para fazer com que isto acontea a realizao de
testes virtuais, atravs de simulaes em softwares, durante o desenvolvimento
do projeto, evitando desperdcio de tempo durante a validao e tambm
prejudicar o restante do projeto.
A soluo de problemas fsicos atravs de modelos matemticos como
o mtodo de elementos finitos est se tornando uma prtica comum durante odesenvolvimento de projeto de sistemas mecnicos. Atravs de sistemas
assistidos por computadores (Computer Aided Systems CAE) possvel
analisar a confiabilidade do modelo virtual (Computer Aided DesignCAD)
de estruturas mecnicas antes de se iniciarem as validaes nos prottipos
fsicos.
O objetivo principal do estudo em questo realizar a anlise estrutural
do sistema de descarga, que est sendo desenvolvido pela AGCO, atravs daaplicao do mtodo de elementos finitos. Os objetivos especficos so
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determinar a condio crtica de trabalho, analisar como se comportar a
estrutura para esta condio e identificar na estrutura as regies com as
maiores concentraes de tenses.
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2. REVISO DA LITERATURA
2.1 PRINCPIOS DA RESISTNCIA DOS MATERIAIS
A resistncia dos materiais o campo da cincia e da tcnica que
estuda o dimensionamento e a otimizao da forma dos componentes e das
estruturas que compem os sistemas de engenharias. Seu princpio bsico
consiste em limitar o valor das tenses que atuam nos componentes em
valores que no permitam a ocorrncia de falhas. Atravs da sua aplicao
possvel garantir a integridade e funcionalidade dos sistemas de engenharia ao
longo de suas vidas teis. (BOSCH, 2005)
Segundo Bosch (2005), As falhas podem ser efeito das tenses que o
sistema est submetido, das condies ambientais, da corroso e da radiao.
As principais falhas que ocorrem em estruturas mecnicas so formaes de
trincas, fraturas, deformaes inaceitveis plsticas ou elsticas e
instabilidade por flambagem.
2.1.1 Tenses e deformaes
As tenses internas em componentes so resultado das deformaes
causadas quando este for submetido a foras externas e seu formato original
for modificado. Segundo CALLISTER (2002) a tenso normal () definidapela Equao 1:
(1),
onde
a carga instantnea aplicada perpendicularmente sobre uma seo de
rea . A deformao () definida na Equao 2:
(2),
onde, o comprimento original antes que qualquer carga seja aplicada e o comprimento instantneo aps a aplicao das foras externas. A
correlao entre deformao elstica e tenso pode ser expresso atravs da
Lei de Hooke (Equao 3) (CALLISTER, 2002):
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(3)As Equaes (1), (2) e (3) geralmente, so utilizadas no projeto de
componentes quando ele estiver submetido a uma carga uniforme em apenas
um sentido, ou seja, quando ele estiver submetido apenas compresso,
trao ou cisalhamento.
Em estruturas submetidas a foras externas as tenses so geralmente
distribudas atravs de uma funo continua dentro do material e qualquer
elemento infinitesimal do material capaz de sofrer diferentes tenses ao
mesmo tempo. Estes elementos podem ser modelados como cubos conforme
mostra a Figura 1. Este cubo est sujeito a tenses normais (), que atuamperpendicularmente s faces do cubo e tendem a tracionar ou comprimir, ou
atravs de tenses de cisalhamento (), que atuam paralelamente as faces docubo em pares, e tendem a distorcer o cubo (NORTON, 2006).
Figura 1: Cubo de tenses. Fonte: Adaptado de Kim et al., 2011, p. 17.
Conforme Kim et al. (2011), as tenses em um ponto qualquer de um
slido podem ser completamente representadas em trs dimenses usando
notao matricial atravs da matriz de tenses [], onde:
[
](4)
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A maioria dos materiais de aplicao mecnica so isotrpicos e sua
aplicao est restringida dentro de seu limite elstico. Conforme Norton
(2006), as deformaes em qualquer ponto na estrutura possuem uma relao
linear elstica com as tenses atravs da lei de Hooke. Desta forma, as
deformaes tambm podem ser representadas atravs de uma matriz de
deformaes [], onde a deformao especifica normal gerada pela tensesnormal e a distoro causada pelas fora cisalhante.
[ ] (5)
Para materias isotrpicos, a relao entre as tenses principais e as
deformaes principais pode ser descrita atravs da simplificao da Lei de
Hooke generalizada, conforme mostram as Equaes 6 e 7 (KIM at al., 2006):
{ } [
] {} (6),
(7),
onde o mdulo de Young, , e o coeficiente de Poisson, , so duas constanteselsticas independentes e G o modulo de elasticidade transversal, expresso
pela Equao 8.
(8)Segundo Kim et al. (2011), as relaes tridimensionais para estruturas
podem ser simplificadas para relaes bidimensionais, conforme Equao 9
quando o componente possuir espessura fina.
{} [
] {
} (9)
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2.2 TEORIA DE FALHAS
Conforme Kim et al. (2011), A falha em materiais de engenharia pode
ser classificada em dctil e frgil. A maioria dos metais dctil e sua falha se
d pelo escoamento. Por isso a resistncia ao escoamento caracteriza a sua
falha. As cermicas e alguns polmeros so frgeis e eles se rompem ou se
fraturam quando a tenso supera determinado valor mximo. O comportamento
de sua tenso-deformao linear at o ponto de falha, e eles falham
abruptamente.
Para anlise de slidos constitudos de material dctil existem a teoria
da energia de distoro (von Mises) e a teoria da mxima tenso cisalhante
(Tresca), enquanto que para a anlise de material frgil utilizada a teoria da
tenso principal mxima (Rankine) (BUDYNAS et al., 2006).
O sistema de descarga ao qual este estudo dirigido constitudo
elementos produzidos em ao dctil e por isto apenas a teoria da energia de
distoro, considerada por Budynas et al. (2006) mais conservativa foi utilizada
na anlise de falhas.
2.2.1 Teoria da energia de distoro (von Mises)
Conforme Kim et al. (2011), quando existe mudana de forma em um
slido causado por foras externas tambm existe o armazenamento, no
slido, de energia potencial, chamada de energia de deformao. Esta energia
de deformao constituda de dois componentes, um devido dilatao ou
variao de volume e outro devido distoro ou variao do formato,
respectivamente, denominados como energia de dilatao e energia de
distoro. A energia de distoro denominada atravs da Equao 10,onde a tenso de von Mises definida em termos das tenses principaisdo componente ( ).
(10),
(11)
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Segundo Budynas et al. (2006), a teoria da energia de distoro
estipula que a falha no material ocorrer por escoamento quando a energia de
distoro por unidade de volume exceder a energia de distoro necessria
para romper o material atravs de um ensaio de trao. Desta forma a falha
ocorrer quando . Para situaes onde o componente estiversubmetido a apenas cisalhamento, o material escoa quando .2.3 ANLISE DE ELEMENTOS FINITOS
Em estudo do comportamento de sistemas fsicos so utilizados
modelos fsicos (usualmente em escala reduzida) e/ou modelos matemticos.
O avano da cincia e o cotejamento entre esses modelos tem motivado um
grande desenvolvimento dos modelos matemticos, propiciando modelagens
realsticas, confiveis e de aplicaes prticas na engenharia, muito mais
econmicas do que os modelos fsicos (SORIANO, 2003).
Entre os modelos matemticos, o mtodo de elementos finitos foi
desenvolvido para a anlise de meios contnuos e atualmente pode ser
utilizado para anlise de todos os sistemas fsicos dos quais trata a engenharia.
O mtodo de elementos finitos (MEF) um dos mtodos
numricos para resolver equaes diferenciais que descrevem muitosproblemas de engenharia. O MEF, que teve origem na rea damecnica estrutural, foi estendido a outras reas da mecnica dosslidos e posteriormente a outros campos como transferncia decalor, dinmica dos fluidos e eletromagnetismo. Na realidade, o MEFfoi reconhecido como uma ferramenta poderosa para resolverequaes diferencias e equaes integrodiferenciais e, em um futuroprximo, pode se tornar o mtodo numrico preferido de muitas reasda engenharia e das cincias aplicadas. Um dos motivos para suapopularidade que o mtodo resulta em programas computacionaisnaturalmente versteis (Kim at al., 2011, p. 49).
2.3.1 Mtodo de elementos finitosSegundo Bosch (2005), a aplicao do mtodo de elementos finitos
consiste na diviso de qualquer corpo em elementos de forma simples (reta,
tringulo, quadrado, tetraedro, pentaedro ou hexaedro), to pequenos quanto
possvel e que estejam permanentemente conectados entre si atravs de seus
vrtices (ns). O princpio bsico consiste na linearizao de todos os
processos utilizando equaes lineares que descrevem o comportamento dos
ns.
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De acordo com Cesa (2010), o mtodo dos elementos finitos considera
a regio (contnuo) de soluo do problema formada por pequenos elementos
interligados entre si, conforme Figura 2. A regio em estudo modelada ou
aproximada por um conjunto de elementos discretos pr-definidos. Uma vez
que estes elementos podem ser colocados juntos em um nmero incontvel de
diferentes configuraes, pode-se modelar formas geomtricas bastante
complexas. Alm disso, possibilita que o projetista tenha bastante flexibilidade
na aplicao de cargas e condies de contorno, o que torna este mtodo o
mais amplamente utilizado para anlises estruturais.
Figura 2: Malha de elementos finitos. Fonte: Souza, 2003 p. 1.
O conjunto de ns e elementos utilizado para a discretizao do
modelo denominado de malha. Segundo Budynas et al. (2006), os ns so
as entidades fundamentais dos elementos, so nos ns que os elementos seconectam entre si, onde as propriedades elsticas do elemento so
estabelecidas e onde as foras e condies de contorno so definidas. Os ns
possuem graus de liberdade, que correspondem aos possveis movimentos
rotacionais e translacionais que eles podem sofrer, conforme mostra a Figura 3.
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Figura 3: Graus de liberdade em um ponto. Fonte: Souza, 2003 p. 5.
Atravs do uso de funes polinomiais integradas a matrizes pode-se
definir o comportamento elstico de cada elemento, atravs da Equao 12
(KIM et al., 2006).
(12),onde a matriz de rigidez do elemento, o vetor dos graus deliberdade associado com o elemento e o vetor das foras que agem noelemento.
Depois que todos os elementos da estrutura forem definidos localmente
na forma de matrizes, possvel montar a matriz global, que descreve o
comportamento da estrutura, atravs das conexes existentes entre os ns dos
elementos atravs da Equao 13.
(13),onde, a matriz de rigidez global, o vetor dos graus de liberdadeconhecidos e o vetor das foras conhecidas.2.3.2 Escolha dos elementos
Segundo Alves (2000), o ponto principal para a elaborao do modelo
CAE a escolha dos elementos que representaro cada trecho da estrutura.
Deve-se buscar identificar como ser o comportamento fsico em cada trecho
da estrutura e a partir deste entendimento partir para a escolha dos elementos
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finitos na biblioteca do software. Os elementos podem ser representados de
vrias formas, conforme mostra a Figura 4.
Figura 4: Tipos de elementos. Fonte: Souza, 2003 p. 2.
A malha refinada, ou seja, a quantidade de elementos aumentada,
entre as anlises, para aumentar a qualidade dos resultados em reas comgrandes concentraes de tenses e zonas de transies geomtricas.
Normalmente os resultados da anlise de elementos finitos converge para o
resultado real quando a malha continuamente refinada, e consequentemente,
o grau das equaes polinomiais (P) utilizadas na soluo so aumentadas,
conforme mostra a Figura 5 (BUDYNAS et al., 2006).
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Figura 5: Resultado do refinamento da malha. Fonte: TSD Engineering.
A malha gerada automaticamente pelos softwares de elementos
finitos e normalmente durante a primeira analise utiliza-se uma malha grosseira
onde no definida nenhuma rea de refinamento. A partir dos resultados
possvel ento, identificar as reas com maior concentrao de tenses e
aplicar refinamentos nestas regies at que os resultados comecem a
convergir para o resultado exato. Quanto maior for a quantidade de elementos
utilizado para a soluo da analise, maior ser tambm o tempo de
computao necessrio para a gerao dos resultados (Norton, 2006).
Bosch (2005) afirma que a qualidade do resultado da anlise ir variar
conforme a qualidade da equao e do tamanho da malha.
2.4 COLHEITADEIRA DE GROS
Atualmente existem diversas mquinas e equipamentos agrcolas que
so utilizados durante as etapas de produo de alimentos. Entre elas, ascolheitadeiras de gros so mquinas autopropelidas utilizadas na etapa de
colheita de cereais. Elas desempenham papel fundamental para o sucesso da
colheita, sendo capazes de realizar o corte da cultura, separar os gros da
palhada e armazen-los.
De acordo com Hher Jr. (2011), as colheitadeiras podem variar quanto
a sua construo e so classificadas conforme o sistema de trilha e separao
que possuem. Elas podem apresentar sistema convencional, sistema axiallongitudinal e o sistema hbrido.
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2.4.1 Sistema de descarga de gros
Independente da classificao da colheitadeira, ela necessitar possuir
um sistema de descarga. Este sistema de descarga tem a funo de
transportar e descarregar os gros que j foram separados da vagem e esto
armazenados no tanque de gros para caminhes ou tanques graneleiros, que
por sua vez transportaro os gros para silos de armazenamento ou unidades
de processamento.
A maioria dos fabricantes de colheitadeiras adotam uma configurao
padro para os sistemas atuais. Os sistemas de descargas atuais realizam o
transporte de gros atravs de roscas transportadoras que esto montadas
dentro uma estrutura tubular, formando o conjunto chamado de tubo de
descarga. Para que seja mantida a largura da colheitadeira, no caso de
transporte, o tubo de descarga tipicamente pivotado entre uma posio
retrada, onde o tubo disposto longitudinalmente na colheitadeira, e uma
posio de descarga, onde o bocal de descarga disposto transversalmente
espaado do corpo da mquina, conforme Figura 6. Atuadores hidrulicos
normalmente so utilizados para mover o tubo entre as duas posies
(HOLLATZ, 2012).
Figura 6: Posies do sistema de descarga. (a) tubo recolhido; (b) tubo na posio dedescarga. Fonte: Adaptado de Dillon, 2007, p3 e p4.
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3. METODOLOGIA
O sistema de descarga, ao qual a anlise de elementos finitos foi
aplicada, do tipo Turrent, ou canho, conforme mostra a Figura 7. Ele
formado por uma estrutura tubular composta pelos conjuntos soldados (tubo
vertical, curva e tubo horizontal), dois helicides que so utilizados para realizar
a descarga dos gros e suportes para mancalizao dos mesmos.
Figura 7: Componentes do sistema de descarga.
A metodologia utilizada para soluo da anlise de elementos finitos
composta de trs etapas: anlise preliminar; pr-processamento; resoluo do
problema.
3.1. ANLISE PRELIMINAR
Na anlise preliminar buscou-se prever o comportamento do sistema,isto , determinar os esforos sofridos pelo sistema e definir as condies de
contorno para o estudo.
A estrutura foi projetada para ser montada na colheitadeira em dois
pontos e a unio entre os componentes da estrutura feita atravs de juntas
parafusadas, conforme representado na Figura 8.
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Figura 8: Pontos A e B de fixao do sistema de descarga Turrent.
O ponto A montado dentro do tanque de gros, onde a flange do tubo
vertical fixada entre duas chapas, conforme Figura 9-a e 9-b, formando uma
espcie de sanduche que permite que a estrutura exera rotao entre o eixo
formado pelos pontos A e B. O ponto B, mostrado na Figura 9-c, na parte
superior da estrutura, formado por um embuchamento que serve de apoio
para que a estrutura gire sobre AB, e diminui o momento toror gerado no
ponto A pelo tubo horizontal em balano.
Figura 9: Vista em corte dos pontos de mancalizao. (a) Mancal A; (b) detalhe domancal A; (c) Mancal B.
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Para a simplificao da anlise foram utilizadas apenas as estruturas
tubulares e as chapas de fixao e mancalizao. Os outros componentes
foram suprimidos. Sendo considerada a massa do helicide horizontal, de 48
kg, aplicada em seu centro de gravidade. A massa do helicide vertical foi
excluda do estudo porque ele est apoiado no fundo do tanque de gros, o
qual no faz parte deste estudo.
Durante a colheita, possvel que em determinado momento o sistema de
descarga esteja preenchido com o gro da cultura que est sendo colhida. A
massa distribuda sobre a superfcie do tubo horizontal quando o sistema
estiver cheio foi levada em considerao durante a anlise. A massa distribuda
no tubo vertical foi excluda do estudo porque a inclinao na vertical pequena e grande parte da massa estar sobre o helicide vertical que no
est apoiado na estrutura do estudo.
Atravs do software Pro-Engineer foi determinado que o tubo horizontal
capaz de armazenar 248,7 litros e a massa distribuda varia conforme a
densidade da cultura de cereal que est sendo colhido pela mquina. Para
realizao da anlise foi considerado a massa especifica do trigo de 772 kg/m,
conforme ANSI/ASAE D241.4. Desta forma, aproximadamente, 192 kg estarodistribudos sobre a estrutura.
Para a realizao da anlise, a condio de contorno (crtica) foi
definida para a situao em que o tubo encontra-se totalmente cheio e
considera-se que uma acelerao (a) de 1.5 g est atuando sobre o sistema no
sentido vertical com direo para baixo. A soma da massa do cereal que est
no tubo horizontal e a massa do helicide horizontal foi aplicada como uma
fora (F) pontual no centro de gravidade do tubo horizontal, com intensidade de
2400 N. As condies de contorno aplicadas na anlise esto representada na
Figura 10. A posio do centro de gravidade (CG) do tubo horizontal foi
determinada atravs do Pro-Engineer e a acelerao utilizada resultado de
coletas realizadas em sistemas de descarga similares em colheitadeiras da
AGCO, para condies normais de colheita.
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Figura 10: Condies de contorno aplicadas ao sistema de descarga.
3.2. PR-PROCESSAMENTONesta etapa foi realizada a preparao do modelo para a anlise de
elementos finitos. Ela abrange desde a criao da malha do modelo at a
aplicao das condies de contorno do sistema. Ela foi realizada no modulo
Mechanical do ANSYS utilizando o modelo CAD existente e disponibilizado
pela AGCO.
O primeiro passo foi adicionar ao modelo os cordes de solda
existentes entre os componentes. A criao dos cordes foi feita no software
Pro-Engineer dentro do modelo da estrutura j existente. Aps a criao dos
cordes foram definidos manualmente no ANSYS os contatos entre os
componentes que compem cada conjunto soldado. O contato entre as chapas
no existe diretamente, mas por meio dos cordes de solda, conforme mostra a
Figura 11. Todas as unies de solda foram consideradas como contatos
colados (bonded) no ANSYS.
Figura 11: Unio atravs do cordo de solda.
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A unio entre os conjuntos soldados que compem a estrutura feita
atravs de juntas parafusadas. Todos os parafusos utilizados so especificados
conforme norma ISO 4017 M10 e suas propriedades mecnicas obedecem a
classe 8.8 da norma ISO 898-1 com tenso mxima de escoamento de 650
MPa.
Para representar o efeito da junta parafusada no modelo de elementos
finitos foram modelados no software Pro-Engineer cilindros com um rebaixo
central conforme mostra a Figura 12 e montados onde existe a unio
parafusada no sistema.
Figura 12: Cilindro utilizado para representar o parafuso.
O dimetro do rebaixo central do cilindro de 10 mm, igual ao dimetrodo parafuso, e o comprimento (L) varia conforme a espessura do conjunto de
chapas que so unidas.
Para a criao dos contatos entre as juntas parafusadas foi
considerado que as faces adjacentes ao rebaixo dos parafusos esto fixas s
faces externas dos flanges atravs de contatos colados (bonded), conforme
mostra Figura 13. No rebaixo do cilindro foi aplicada a pr-carga (Fi) de 19,5 kN
para cada parafuso, correspondente fora utilizada para fazer o aperto do
parafuso. Entre as flanges foram adicionados contatos com atrito (frictional)
com coeficiente atrito () de 0,2. Os valores de Fi e foram extrados do
manual para o clculo de juntas parafusadas VDI 2230-1 (2003).
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Figura 13: Vista em corte da junta parafusada.
No ponto de mancalizao superior B do sistema foi utilizada uma
bucha para representar o suporte fixao (fixed support). O contato do
suporte e a estrutura foi criado entre a bucha e o eixo do conjunto curva,
conforme Figura 14. O contato foi criado sem atrito (frictionless).
Figura 14: Mancalizao do ponto B. (a) representao do contato de fixao; (b)detalhe em corte.
No ponto de mancalizao A o suporte rgido (fixed support
) foi
aplicado na chapa de base, sobre a qual o tubo vertical est apoiado. Entre o
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tubo vertical e as chapas de base e superior foram aplicados contatos sem
atrito (frictionless) que permitem que o tubo exera o movimento de giro.
Entre a chapa espaadora e a face externa do flange do tubo vertical tambm
foram adicionados contatos sem atrito (frictionless). Entre o espaador e a
base e entre o espaador e a chapa superior foram aplicados contatos colados
(bonded). A Figura 15 representa os contatos no ponto A.
Figura 15: Mancalizao do ponto A.
A fora causada pelas massas do helicide e do material no tubo de
descarga foi aplicada no centro de gravidade do tubo horizontal atravs de um
ponto remoto no centro da circunferncia, conforme Figura 16. A fora foi
aplicada no sentido vertical com intensidade 2400 N direcionada para baixo.
Figura 16: Fora aplicada ao sistema de descarga.
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3.3. RESOLUO DO PROBLEMA
Nesta etapa foram geradas as malhas dos elementos do sistema e
aplicado o mtodo de elementos finitos para encontrar a soluo. A anlise
aplicada foi estrutural esttica e foi realizada no mdulo Mechanical do ANSYS.
Todos os elementos que compem a estrutura do sistema de descarga
so compostos de ao com as mesmas propriedades mecnicas. A Tabela 1
descreve as propriedades do material que foram utilizadas para soluo do
problema.
Tabela 1. Propriedades do material. Fonte: ANSYS (2012)
Propriedades do material
Tenso de ruptura () 460 MPa
Tenso de escoamento (e) 250 MPa
Mdulo de Young (E) 210 GPa
Coeficiente de Poisson () 0,3
Massa especfica () 7850 kg/m
Temperatura (T) 22C
Foram utilizados elementos slidos para a gerao da malha da
estrutura, sendo necessria a aplicao de refinamentos para que o resultadoconvergisse. A malha da estrutura formada por 102.739 elementos e 238.887
ns. A Figura 17 ilustra como esto arranjados os elementos na estrutura.
Figura 17: Distribuio da malha de elementos finitos.
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A soluo do problema foi executada em duas etapas. Na primeira
etapa realizou-se a pr-carga das unies parafusadas, para que todas as
folgas entre os contatos fossem eliminados e na segunda etapa foram
aplicadas a fora vertical de 2400 N e a acelerao de 1.5 g.
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4. APRESENTAO E ANLISE DOS RESULTADOS
Aps a concluso da metodologia utilizada os resultados encontrados
foram analisados.
Uma das anlises realizada foi quanto as deformaes existentes no
sistema. A figura 18 mostra as deformaes encontradas. A deformao
mxima ocorre na extremidade livre do tubo em balano, com valor de 8,2 mm.
Figura 18: Deformaes resultantes em mm.
Os resultados das tenses foram calculados atravs da equao de
von Mises. A Figura 19 mostra que em nenhuma regio da estrutura as tenses
excedem o limite do material de 250 MPa.
Figura 19: Tenses de von Mises.
Para representar os pontos com maiores concentraes de tenses, os
conjuntos soldados foram analisados individualmente. No tubo vertical
observou-se que as maiores concentraes de tenses ocorreram entre a
unio soldada do flange superior com o tubo, conforme Figura 20. A regio da
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solda oposta ao tubo horizontal em balano apresentou tenso mxima de 207
MPa.
Figura 20: Tenses de von Mises no tubo vertical.
No conjunto curva, as maiores tenses foram encontradas no reforo
inferior do conjunto e na junta soldada do mancal superior, conforme mostra a
Figura 21. O reforo inferior esteve submetido compresso e a tenso
mxima foi de 145 MPa. A junta soldada apresentou tenso mxima de 218,5MPa. As duas regies apresentaram as maiores concentraes porque
atravs delas que transmitido o momento causado pelo tubo horizontal no
eixo AB formado pelos mancais superior e inferior.
Figura 21: Tenses de von Mises na curva.
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A Figura 22 mostra que no tubo horizontal os valores mximos de
tenses foram encontrados na solda existente em um dos reforos superiores.
Nesta regio, a solda esteve submetida trao causada pelo tubo em
balano, com mxima de 173 MPa.
Figura 22: Tenses de von Mises no tubo horizontal.
Durante a realizao da anlise foi observado que as regies ondeapareceram as maiores concentraes de tenses esto sobre um plano
vertical que passa pelo centro do tubo horizontal. Isto significa que o momento
gerado pelo tubo horizontal na estrutura tem grande influncia na integridade
da estrutura.
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CONSIDERAES FINAIS
De acordo com os resultados obtidos nas anlise realizadas, as
seguintes concluses podem ser retiradas:
- Foi realizada a anlise estrutural esttica do sistema de descarga de
gros;
- O estudo comprovou que a estrutura do sistema de descarga de gros
est adequada para a aplicao;
- Foram identificadas as zonas de maiores concentraes de tenses,
as quais localizam-se nas unies soldadas;
- Foi identificado que a tenso mxima ocorre na junta soldada do
conjunto curva, causado pelo tubo horizontal em balano.
- Foi observado que o momento gerado pelo tubo horizontal na
estrutura tem grande influncia na integridade do conjunto.
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