pme 2543 estruturas mecânicas e de...

Agosto 2011 Prof. Leandro V. da S. Macedo – PME 2543 Estruturas Mecânicas e de Veículos

PME 2543

Estruturas Mecânicas e de Veículos Notas de Aula

Prof. Leandro V. da S. Macedo

Disciplina: PME 2543 Estruturas Mecânicas e de Veículos http://www.poli.usp.br/d/pme2543

Programa

Critério de Aprovação:

Bibliografia MORELLO et alli. "The Automotive Body" vols. I e II, Ed. Springer 1st ed., 2011, ISBN 978-94-007-0512-8.

ZIENKIEWICZ & TAYLOR “The finite element method”, McGraw-Hill, 4th ed., 1989(vol.1) e 1991(vol.2)

BAUER, H. (ed.) “Automotive handbook”, Robert Bosch GmbH, Alemanha, 2000

TIMOSHENKO & WOINOWSKI-KRIEGER, S. “Theory of plates and shells”, McGraw-Hill, 2nd ed., 27th printing 1987

CLOUGH & PENZIEN "Dynamics of Structures" McGraw-Hill, 7th printing 1986

POPOV "Introdução à Mecânica dos Sólidos" Edgard Blücher, 1978.

ALVES Fo. "Elementos Finitos - A base da tecnologia CAE", Érica, 2000.

32412 EPPMédia

Programação

1 06/ago Introdução ao curso - Carroceria de um veículo de passeio - Nomenclatura - Funções - Requisitos Gerais -

Ferramenta de cálculo (Nastran/Patran) - ULSAB

2 13/ago Novos conceitos - Componentes da carroceria - Requisitos de desempenho - Critérios de Projeto -

Carregamentos de projeto - Rigidez estática - Rigidez de partes móveis

3 20/ago Análise de tensões - Critérios de Falha

4 27/ago Método matricial - Método dos elementos finitos - critérios de qualidade de malha - erros de discretização e taxa

de convergência

5 03/set Rigidez dinâmica - Análise modal - Aplicações - Atribuição dos trabalhos em grupo

10/set não haverá aula (Semana da Pátria)

6 17/set Rigidez dinâmica - Resposta em frequência - Aplicações

7 24/set Flambagem elástica - "Inertia relief" - Aplicações

8 01/out P1

9 08/out Análises não lineares - Absorção de energia, flexão inelástica e análise limite

10 15/out Esquema de solução - Eventos e fenômenos (intervalo de tempo de integração; balanço de energia) - Props.

mecânicas em altas taxas de deformação

11 22/out Amassamento de portas e teto e Ancoragens de bancos e cintos

29/out não haverá aula (Recesso escolar)

12 05/nov Desempenho em colisão ("crash") Frontal, Lateral, Traseiro

13 12/nov Proteção de Pedestres (Cabeça e Perna) e Custo de reparo (RCAR "Bumper test" e "Structural test")

14 19/nov Aplicações - Revisão e Discussões finais

15 26/nov P2

16 03/dez Apresentação dos trabalhos em grupo

PREC - Na semana anterior à de início das aulas do semestre seguinte (1º de 2012), conforme calendário

afixado na Secretaria.

http://www.mscsoftware.com/contents/Academia/Student-Center/Academia-FAQ.aspx

Carroceira: Função

Desempenha função de estrutura, esqueleto do veículo.

Dá suporte a todos os demais sistemas do veículo, que de alguma forma ou de outra são

fixados, montados nesta estrutura, tais como:

- motor, sistema de arrefecimento, escapamento;

- transmissão;

- suspensão dianteira e traseira;

- sistemas de freio, direção, combustível;

- bancos;

- painel de instrumentos;

- revestimentos (teto, colunas, carpetes);

- ancoragem de cintos de segurança;

- componentes elétricos (bateria, chicotes...);

Mono-bloco (carroceria) vs. Chassis (chassis + carroceria)

O status atual de projeto padrão para veículos de passeio utiliza o conceito de estrutura

“mono-bloco” que consiste em utilizar os próprios painéis que dão a forma e aparência

exterior como elementos estruturais, em oposição ao conceito chassis+carroceria usual em

veículos comerciais, caminhões e pick-ups, onde o elemento estrutural principal é uma

plataforma formada por vigas e travessas, sendo a carroceria (painéis que formam o

habitáculo) e demais sistemas do veículo fixados, montados, nesta plataforma.

Pode haver confusão então com a definição mais ampla e atual dos sistemas de chassis, que

englobam os sistemas de suspensão, direção, freios, rodas e pneus e combustível.

DMU – Digital Mock-up

Produto / Protótipo

Design &

Package

Carroceria

Acabamento

Chassis

Elétrica

Motorização

Ensaios Estáticos

Ensaios de

Durabilidade

Ensaios de

Segurança

Veicular

Análise Modal

Otimização

de Custo Estampabilidade

Manufaturabilidade

Fábrica Virtual

Rodagens

Conceito / Estilo

Engenharia

Produto

Engenharia

Manufatura

Mercado

Mercado / Marketing

Simulação

Construção Experimental

BUSCA DE CONFIABILIDADE

Viabilizar Prazos curtos

Altos requisitos de desempenho

Custo otimizado

Simulação

Virtual

Manter Competitividade

Redução de Custos

de Desenvolvimento

Testes

Conceito / Estilo

Protótipos - Construção

Protótipos - Testes

Testes

Pesquisa de fornecedores Obtenção de peças

Conceitos de Manufatura Preparação para produção

Fabricação de Ferramentas

Liberação para

construção de

protótipos

Liberação para

construção de

ferramentas

Aprovação de

conceitos

Cronograma de Projeto

Do Estilo ao Produto

Estilo

“Sketches” à mão e no

computador

Visualização foto

realística em 3D

“Virtual Reality Center”

Modelos em escala em Clay

O “scanning” digital 3D dos

modelos Clay acelera a criação de

modelos obtendo uma nuvem de

pontos de alta densidade e

precisão para a construção das

superfícies digitais.

Estilo

http://www.cardesignonline.com/design/modelling/clay-modelling.php

Modelos em Clay 1:1

Usinagem de um

modelo em Clay

1:1 a partir de

modelos em

Usinagem de um modelo em espuma de alta

densidade partir de modelos em CAD Estilo

Conceito Plataforma e Derivativos

Station Wagon

Monovolume

Pick-up

Estabelecendo as Dimensões Gerais – “PACKAGE”

Carroceira: Dimensões

A definição das dimensões do veículo são função de:

- tipo de veículo;

- tipo de motorização;

- tipo de sistema de transmissão (dianteira, traseira, tração em 4 rodas...);

- espaço interior desejado;

- posição dos ocupantes desejada (ergonomia, ponto H, padrões humanos 5% mulher a 95%

homem, elipse dos olhos, visibilidade, envelope de alcance de mão, posição de pedaleira...);

- volume de bagagem desejado;

- posição do estepe;

- envelopes de roda;

- envelope de motor;

- envelope de sistemas de suspensão e direção (eixo traseiro...);

- volume de tanque de combustível;

- sistema de escapamento;

- curvatura (design) das superfícies externas;

- espaço para eixos de portas e tampas;

- vão livre do chão;

- considerações sobre aerodinâmica;

- considerações sobre dinâmica veicular, suspensão, direção, conforto, dirigibilidade;

- considerações sobre segurança veicular (proteção de ocupantes e de pedestres);

- requisitos legais (placas de licença, posicionamento de lâmpadas e retrovisores);

As dimensões longitudinais são fortemente influenciadas pela altura do ponto H.

Sistema de medição conforme European Car Manufacturers Information Exchange Data

(ECIE) (similar ao sistema da Society of Automotive Engineers (SAE):

Unidades do SI:

Comprimentos/larguras/alturas [mm]

Áreas [m2]

Volumes [m3]

Ângulos [graus]

1-99 dimensões internas

100-199 dimensões externas

200-299 dimensões do compartimento de bagagem

Medição do Volume de Bagagem

Cálculo do volume conforme DIN 70020: “Quantidade de blocos rígidos de 200 x 100 x 50 mm

(1 litro) que podem ser acomodados no espaço de bagagem.”

Motivação deste tipo de normatização: o volume contínuo não é representativo da capacidade

de armazenamento porque usualmente as cargas são pacotes discretos.

Para obter um resultado ótimo, isto é conseguir aproveitamento máximo, um especialista gasta

várias horas de trabalho.

Pode ser estimado na fase de projeto pela colocação manual dos blocos utilizando uma

ferramenta de CAD.

Também já existem “softwares” para automatização da distribuição dos blocos utilizando-se de

técnicas matemáticas de geometria computacional e otimização numérica.

Requisitos Técnicos e Econômicos Gerais

Requisitos Funcionais (Abertura de portas e tampas, vidros, folgas, vão livre do solo, espaço

de bagagem...)

Durabilidade

Manufaturabilidade (estampabilidade,

sequência de armação, disponibilidade de

tecnologia,...)

Reciclagem Desempenho em Crash - Proteção de

Ocupantes e Pedestres

Capacidade de suprimento

Estrutura para produção em massa

Rigidez - Ruído e Conforto - NVH

Ergonomia (Espaço interno, Posicionamento de bancos, Visibilidade...)

Aerodinâmica (consumo de combustível, estabilidade direcional, acúmulo de sujeira, ruído...)

Custo de Reparo

Custos de peças, ferramental,

armação, logística

Design (externo, interno, zonas cinzentas, “fuges”)

Resistência à corrosão

Drag coefficient Front axle lift

coefficient Rear axle lift

coefficient Onde:

r = massa específica do ar

v = velocidade do ar

A = área frontal projetada

CdAvρ2

ClfAvρ2

ClrAvρ2

Sustentação aerodinâmica

Aerodinâmica

Arrasto consumo de combustível

emissões

velocidade máxima

Sustentação estabilidade direcional

velocidade máxima

Arrasto aerodinâmico

Sendo o sistema de forças devido à pressão aerodinâmica sobre a superfície do veículo,

reduzido ao pólo “O” (0, 0, 0) (origem do sistema de coordenadas) dado por:

Reduzindo novamente para o ponto de contato com o solo:

kFjFiFF zyx

lrlfz FFF

kMjMiMM VzVyxVV

DFM lrVy D

Tomando o sistema equivalente à resultante vertical e o momento por um sistema de

forças verticais aplicados nos contatos das rodas com o solo: :

Onde: e

V H Flf Flr

FVOMM;F OV

Aerodinâmica

Sequência de Armação

Estampabilidade

Largura de “gaps” (“Fugen”)

Soldabilidade (~ 5000 pontos de solda em até ~200 m de flange)

Diferentes tipos de solda (pontos, cordões, por projeção)

Aplicação de cola

Furos para escoamento de pintura (evitar bolhas proteção contra corrosão)

Manufaturabilidade

SUCESSO

RUPTURA RUPTURA

FRATURA

ESTRICÇÃO

Estampagem Estiramento

Estampabilidade: Curva limite de conformação - CLC

Estampagem Estiramento Flangeamento

1 = (D1-D0)/D0 (+)

2 = (D2-D0)/D0 (-)

Cálculo de 1 e 2

MATRIZ

PUNÇÃO

Fatores que afetam a posição das CLC:

• Diâmetro dos círculos da rede

• Espessura da chapa (limite atingido

primeiro em espessuras muito finas ou

muito grossas)

• Trajetória da deformação (melhor

primeiro estampar e depois estirar)

Aço 1 Aço 2

Simulação de Estampagem

• Projeto de ferramental

• Formabilidade (trincas, nervuras, redução de espessura)

• Compensação de ferramenta (correção de “spring-back”)

Estampabilidade: Simulação de estampagem

Pontos de fixação para clips plásticos e outros componentes

Pinos TuckerTM

Fixação sem necessidade de furação de chapas

Pino soldado à chpa por arco elétrico com alimentação automática de pinos

A forma cônica do flange de solda tem a função de estabilizar e centralizar o arco elétrico

retirado, e conseqüentemente contribui para uma qualidade de solda livre de falhas

Diversos tipos de rosca, tamanhos, diâmetros, material (aço,

aço, inox, bronze), proteção superficial

Aplicações:

• Fixação de módulos

• Fixação de componentes

• Substituição de parafusos / prisioneiros / porcas

Aplicações:

• Fixação de módulos

• Fixação de componentes

• Substituição de parafusos / prisioneiros / porcas

Componentes

Painéis metálicos estampados (painés externos/externos – teto, laterais,

assoalhos,portas, tampas)

Peças metálicas estampadas (reforços, suportes, travessas)

Elementos metálicos tubulares (longarinas)

Vidros, componentes plásticos,…

Uniões

soldadas (pontos de solda, cordões de solda, solda laser) rebites, cola

estrutural, cola não estrutural)

parafusadas

Materiais

aços comum

aços de alta resistência

alumínio

plásticos

Conjuntos que formam a carroceria:

Plataforma dianteira:

Parachoques dianteiro

Front-end (Arrefecimento do motor, condensador AC, intercoller, reforço de fechadura tampa)

Longarinas dianteiras (coxinização de motor e câmbio, suporte de bateria)

Caixas de roda (suporte de perna de mola)

Longarinas superiores

Caixa d’água (limpadores de parabrisa)

Painel corta-fogo (pedaleira)

Assoalho dianteiro (bandejas, semilongarinas, reforços dianteiros, reforços de ancoragem da

suspensão, suportes de trilho de banco, travessas)

Túnel (reforços longitudinais, reforço de freio de mão, reforço ponte sob o túnel)

Soleira (chapa de reforço, reforços locais anti-colapso)

Coluna A inferior (reforço de dobradiças e limitadores de porta, reforço de ancoragem da travessa

do painel de instrumentos)

Plataforma traseira:

Assoalho traseiro anterior (travessas, ancoragem de banco, ancoragem de cintos, ancoragem de

tanque de combustível, ancoragem de escapamento)

Assoalho traseiro posterior (alojamento do estepe, ancoragem de escapamento)

Longarinas traseiras (ancoragem de suspensão traseira)

Caixas de roda (ancoragem de suspensão traseira – mola e amortecedor, ancoragem de cinto)

Painel traseiro

Parachoque traseiro

Chapéu (“Hut”):

Coluna A superior (reforço de coluna)

Coluna B (ancoragem de cinto, ancoragem de desviador do cinto, reforços para colisão lateral,

reforços de dobradiças e limitadores de porta traseira)

Coluna C (e/ou D) ancoragem de cinto, ancoragem de desviador de cinto

Travessa dianteira do teto (suporte do parabrisa)

Travessa intermediária do teto

Travessa traseira do teto (reforços de dobradiças de tampa traseira, ancoragem de cinto 3 pontos)

Porta-chapéu

Portas:

Painel externo

Painel interno

Reforço de dobradiças

Reforço de fechadura

Reforço de vão da janela (externo e interno)

Reforço contra impacto lateral

Quadro superior e trilhos de vidro

Tampa dianteira:

Painel externo

Painel interno

Reforço de apoio de mãos

Tampa traseira:

Painel externo

Painel interno

Reforço de mola a gás

Vedação de cavidades ruído

Expansível térmico durante secagem da pintura

Cavalete

função estrutural

em “crash” lateral

Limitador de abertura de porta

Compensação da

carga de vedação

na ferramenta do

quadro superior da

Vedação do vidro das portas:

-Esforço de abertura e fechamento

- eficácia da vedação ruído de vento, conforto

ULSAB uses 90.9%

high strength steels1.5%

Aço Sandwich

>550 MPa

420 MPa

350 MPa

280 MPa

210 MPa

140 MPa (Mild)

LE > 550MPa

uso de aços de alta resistência

uso de tailored blanks

solda a laser

processo hydroforming

Consórcio ULSAB

“Tailor Welded Blanks”

Diferentes espessuras de chapas soldadas a laser

Elimina reforços

Reduz o número de partes, ferramentas, soldas

Melhor desempenho em crash

Dificuldades:

Projeto complexo

Variação de aços e espessuras

Condições especiais de

conformação

Vantagens:

Constituída de uma única peça

Eliminação de reforços

Redução de massa e custo

Especificação ULSAB p/ Lateral externo:

Escoamento: 210 MPa até 350 MPa

Usa 5 espessuras: 0.7 mm até 1.7 mm

Peça estampada

Usa “taylor blank” soldado a laser

“Tailor Welded Blanks”

Diferentes espessuras de chapas soldadas a laser

Hydroforming

Etapa 1 - Pré-dobramento

Etapa 2 - Aplicação de pressão

Etapa 3 - Peça pronta

Aplicação de adesivo para unir flanges

Painel externo unido por WB ao corpo estrutural

Aumento da durabilidade e rigidez em torção e dobramento

Weld Bonding – Cola estrutural

APX by Lotus Engineering

(Aluminium Performance

Crossover')

Jaguar all aluminum car

BMW’s E1 (elétrico) de 1991

usava uma combinação de perfis

extrudados de alumínio e painéis

externos de alumínio e plástico

para uma construção de

carroceria de peso reduzido.

ASF – AUDI SPACE FRAME - 100% alumínio

A8, R8, TT

Mais de 550.000 carros produzidos

Lamborghini: mais de 9000 carros produzidos

FIM Primeira aula

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pme lÍder 2009

revista exame pme

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