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CONSTRUÇÃO DE UM MODELO COMPUTACIONAL PARA SIMULAÇÃO E ANÁLISE DE TENSÕES RESIDUAIS

EM CILINDROS

CONSTRUÇÃO DE UM MODELO COMPUTACIONAL PARA SIMULAÇÃO E ANÁLISE DE TENSÕES RESIDUAIS

EM CILINDROS

Cristiano Fernandes LagattaEleir Mundim BortoletoMarco Aurélio R. S. MendesRoberto Martins de Souza

SUMÁRIOSUMÁRIO-Geração de tensões residuais

-Objetivos do projeto

-Tratamento térmico

-Modelo matemático

-Resultados

-Conclusões

-Próximos passos

01

GERAÇÃO DE TENSÕES RESIDUAISGERAÇÃO DE TENSÕES RESIDUAIS1. Gradiente de temperatura:

Casca e núcleo se expandem em momentos diferentes, devido ao gradiente térmico

02

GERAÇÃO DE TENSÕES RESIDUAISGERAÇÃO DE TENSÕES RESIDUAIS

2. Mudança de Fase:

Mudança das propriedades.

Austenita para Martensita.

Não ocorre em todo o cilindro.

AustenitaMartensita

03

GERAÇÃO DE TENSÕES RESIDUAISGERAÇÃO DE TENSÕES RESIDUAIS

Estruturas cristalinas

Diferentes tamanhos e propriedades

Estrutura CCC

Estrutura CFC (Austenita)

(Martensita é TCC)

04

OBJETIVOS DO PROJETOOBJETIVOS DO PROJETO

Construir modelo computacional

Elementos finitos

Transformação de fase

Tensões residuais

05

TRATAMENTO TÉRMICOTRATAMENTO TÉRMICO

TH: “Through Hardening”

O cilindro, a uma temperatura homogênea de 850ºC (1120K), é resfriado em líquido a 20ºC (293K) por 150 segundos.

Temperatura na superfície em função do tempo

06

MODELAGEMMODELAGEM

• Método de Elementos Finitos

• Software ABAQUS

• Malha radial

• Propriedades do aço SAE 4140H

07

MODELO MATEMÁTICOMODELO MATEMÁTICOMalha:

1280 elementos Elementos isoparamétricos

Diâmetro: 45mm Estado Plano de deformações

08

MODELO MATEMÁTICO MODELO MATEMÁTICO

(SAE 4140H)(SAE 4140H)

Equações das propriedades do Aço SAE 4140H em função da temperatura

1797.210208.910097.310145.2

059.210909.910462.410985.11

:

324711

324711

TTxTxxE

TTxTxxEEEE

YoungdeMódulooudeElasticidadeMódulo

M

AM

610318.1223.5

:

5548.010159.2

:

4748,10230.2

748,10043.210798.810918.110115.1

:exp

3

748,10094.110595.1

748,10126.210598.1

723,10995.510370.210520.7

:

2

748,10492.310064.5

748,10988.210259.2

723,10459.310833.310092.2

:

2

2

5

31321185

58

710

2258

47

69

2256

TxK

térmicaadecondutivid

Txc

específicocalor

KTsex

KTseTxTxTxx

térmicaansãodeecoeficient

TseTxx

KTseTxx

KTseTxTxx

escoamentodeTensão

KTseTxx

KTseTxx

KTseTxTxx

H

cinemáticontoendurecimeaoassociadoParâmetro

T

Y

09

MODELO MATEMÁTICO MODELO MATEMÁTICO

(SAE 4140H)(SAE 4140H)

Fonte: Gráficos a partir das equações de Camarão et al.

Propriedades variam com a temperatura.

Descontinuidades ocorrem devido à transformação de fase.

Módulo de elasticidade leva em conta a fração de cada fase.

Para o núcleo, a curva de tensão de escoamento foi extrapolada.

As propriedades térmicas não variam com a mudança de fase.

10

MODELO MATEMÁTICO MODELO MATEMÁTICO  

COEFICIENTE DE EXPANSAO TERMICA vs TEMPERATURA

-0.00005

-0.00004

-0.00003

-0.00002

-0.00001

0

0.00001

0.00002

0.00003

0.00004

0 200 400 600 800 1000 1200 1400

TEMPERATURA

CO

EF

ICIE

NT

E D

E E

XP

AN

SA

O T

ER

MIC

A

“Enganando” o software.

Modelo testado com sucesso.

11

TV

V

0 3

MODELO MATEMÁTICOMODELO MATEMÁTICO

Condições de contorno:

Foi imposta como condição de contorno, a curva de

resfriamento do processo TH nos nós da superfície.

Temperatura na superfície em função do tempo

12

RESULTADOSRESULTADOSDistribuição da temperatura em função do tempo

A – Simulação B - Artigo

13

RESULTADOSRESULTADOSDistribuição das tensões em função do raio no

instante final do processo.

A – Simulação B - Artigo

14

CONCLUSÕESCONCLUSÕES

Tanto os cálculos da distribuição térmica quanto das tensões residuais pelo método dos elementos finitos mostrou resultados muito próximos aos apresentados pelo artigo.

O modelo pode ser considerado válido.

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PRÓXIMOS PASSOSPRÓXIMOS PASSOS

Aplicar o modelo desenvolvido para analisar influência da geometria dos

cilindros no aparecimento de tensões ao final do tratamento térmico.

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