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CFAC: Introdução ao SolidWorks (X): Análise de Tensões

21-08-2009FEUP/DEMEGI-SDI

JOF/João Manuel R. S. Tavares 1

Introdução ao SolidWorks(X): Análise de Tensões

de Peças - SimulationXpress

João Manuel R. S. Tavares / JOF

@2009 João Tavares / JOF CFAC: Introdução ao SolidWorks (X): Análise de Tensões 2

� SolidWorks SimulationXpress é um software de análise estrutural totalmente integrado no SolidWorks.

� SolidWorks SimulationXpress faz testes de simulação do funcionamento do componente. Este permite responder a questões tais como: é resistente, é eficiente, e o seu desenho é económico?

� SolidWorks SimulationXpress é utilizado por estudantes, projectistas, engenheiros e outros profissionais para realizar peças eficientes e económicas.

Análise por SolidWorks SimulationXpress





Ciclo Tradicional de Design

� Utiliza-se o SolidWorks para criar o modelo.

� Produz-se um protótipo.

� Realizam-se testes do protótipo em várias condições de carga. Em alguns casos é necessária a aplicação de sistemas de leitura de resultados nestes testes.

� Com base nos resultados, efectuam-se alterações no modelo, constrói-se um novo protótipo, e vai-se verificando até que este satisfaça os requisitos.

SolidWorks

Protótipo

Teste

Satisfaz?

Produção

Não

Sim


Benefícios da Análise de Peças

� Os ciclos de desenvolvimento são caros e longos.

� A análise computacional permite reduzir o número de ciclos de desenvolvimento.

� A análise reduz o custo por teste, uma vez que permite aproximar o modelo, usando cálculos de computador, diminuindo o número de ensaios.

� A análise reduz o tempo de entrada no mercado.

� A análise ajuda a optimizar o design simulando rapidamente muitos conceitos e cenários antes da tomada de uma decisão final.





Método de Análise por Elementos Finitos

� Soluções analíticas só estão disponíveis para problemas simples. Estas soluções fazem algumas simplificações e podem não prever alguns casos práticos.

� SolidWorks SimulationXpress utiliza o Finite ElementMethod (FEM). A análise que usa o FEM é chamada de Finite Element Analysis (FEA) ou Design Analysis.

� FEA é um programa muito utilizado. Permite resolver problemas simples ou complicados.

� FEA é uma aplicação de computador bem sucedida. É universalmente reconhecido como um método de análise preferido.


Conceito geral de Design Analysis

� O método FEM substitui um problema complexo por um conjunto de problemas simples. Divide o modelo em muitas peças pequenas (por exemplo, tetraedros) de formas simples, chamados elementos.

Modelo CAD Modelo CAD Model dividido num número finito de partes






� Os elementos utilizam pontos (comuns a vários) chamados nós. O comportamento destes elementos é bem conhecido em vários casos de carga.

� Os deslocamentos de cada nó nas direcções X, Y, e Z é totalmente descrito. Estes designam-se por graus de liberdade (DOF - degrees of freedom). Cada nó tem 3 DOF.

Nodes

Tetrahedral Element

Nós

Elemento Tetraédrico


� SolidWorks SimulationXpress escreve as equações que controlam o comportamento de cada elemento tendo em conta as interacções com os outros elementos.

� Estas equações relacionam as incógnitas, por exemplo deslocamentos, na análise das tensões, tendo em conta as propriedades do material, ligações ao exterior e carregamentos.

� De seguida o programa cria um sistema de equações com base nestes parâmetros. Poderão existir centenas, milhares ou milhões de equações.






� Na análise estática, a resolução do sistema de equações determina os deslocamentos nas direcções X, Y, e Z de cada nó.

� Após o cálculo dos deslocamentos em cada nó, o programa vai calcular as deformações nas várias direc-ções. A deformação é a variação de comprimento a dividir pelo compri-mento original.

� Finalmente o programa utiliza equações para determinar as deformações e as tensões.


Deformação

δL

L

Strain = (δL)/L

F

Análise Estática de Tensões

� Este é o tipo mais comum de análise. Assume um comportamento linear do material e despreza as forças de inércia. É considerado que, retirando o carregamento, o sólido retoma a sua forma original.

� Cálcula deslocamentos, deformações, tensões e reacções na ligação ao exterior.

� O material entra em colapso quando as tensões ultrapassam um determinado valor. Materiais diferentes entram em colapso a valores diferentes. Com a análise estática, pode-se controlar o colapso de muitos materiais.





Análise Estática de Tensões

� Quando uma carga é aplicada a um corpo, este tenta absorver esse efeito através da geração de forças internas de forma a que o seu efeito seja passado a outros pontos.

� O efeito destas forças designam-se por tensões (stress). Tensão é a força por unidade de superfície.

� A tensão num ponto é a intensi-dade da força numa pequena área em volta desse ponto.


F

∆A

σ

P

P

σ = lim F/∆A∆A 0


O que é a Tensão

� Tensão é um tensor que descreve os valores e direcções para um determinado plano de referência. O tensor tensão é totalmente caracterizado pelas seis componentes:

� SX: Tensão Normal na direcção – X

� SY: Tensão Normal na direcção – Y

� SZ: Tensão Normal na direcção – Z

� TXY: Tensão de Corte na

direcção - Y no plano YZ

� TXZ: Tensão de Corte na direcção - Z no plano YZ

� TYZ: Tensão de Corte na direcção - Z no plano XZ

� Tensão positiva indica tracção e negativa indica compressão.





Tensões Principais

� As tensões de corte desapa-recem em algumas direc-ções. As tensões normais a estas direcções designam-se de tensões principais .

� P1: Tensão normal na primeira direcção principal (maior).

� P2: Tensão normal na segunda direcção principal (intermédia).

� P3: Tensão normal na terceira direcção principal (menor).

� .

1

2

3

X

Y

Z

o

P2

P3

P1Axes 1,2, and 3 are called principal directions and the normal stresses P1, P2, and P3 are called principal stresses.

Eixos 1, 2 e 3, são chamados de direcções principais e as tensões P1, P2 e P3 são chamadas de tensões principais

Tensão de Von Mises

� A tensão von Mises é um número escalar positivo que não tem direcção. Este descreve o estado de tensão por um número.

� Muitos materiais têm colapso quando a tensão de von Mises ultrapassa um determinado valor.

� A tensão de von Mises é definida em termos das tensões normais e de corte por:

� Em termos das tensões principais, a tensão de von Mises é dada por:


VON12--- SX SY–( )2 SX SZ–( )2 SY SZ–( )2+ +[ ] 3 TXY2 TXZ2 TYZ2+ +( )+

1 2⁄( )=

VON12--- P1 P2–( )2

P1 P3–( )2P2 P3–( )2

+ +[ ]

1 2⁄( )=




Passos para a realização da Análise

1. Associar o material. De que é feito esta peça?

2. Especificar ligações. Que faces são fixas e não vão ter qualquer deslocamento?

3. Aplicar carregamento. Quais são as forças e pressões que actuam sobre esta peça?

4. Calcular as equações da análise.

5. Ver resultados. Qual é o factor de segurança? Quais são as deslocações e tensões resultantes?


Tipos de Análise adicionais

� SolidWorks SimulationXpress realiza a análise linear estática de tensão em peças. Outras ferramentas de software, permite meios adicionais de análise de peças e conjuntos.

� SolidWorks Simulation contém:� Análise Linear Estática de tensões em conjuntos.

� Análise não Linear Estática

� Análise à Encurvadura

� Análise com Cargas Cíclicas

� Análise sobre Acções Térmicas

� Análise de Optimização

� Análise Dinâmica

� Análise de Fadiga

� Análise ao Impacto@2009 João Tavares / JOF CFAC: Introdução ao SolidWorks (X): Análise de Tensões 16





� SolidWorks SimulationXpress : as apresentações se-guintes apresentam um exemplo do Tutorial do SWK.

Ex. Análise SolidWorks SimulationXpress

1. Peça a estudar.2. Pode haver neces-

sidade de quebrar superfícies para definir ligações ao exterior ou carrega-mentos. Material:

Superfície fixaForça Vertical de 4000N


1. Na FeatureManager tree, sobre o nome do documento, botão direito do rato e seleccionar Document Properties .

2. Aparece a caixa de diálogo Document Properties .3. Clicar em Units .4. No quadro Unit system , seleccionar MKS (meter,

kilogram, second ).5. Validar OK.






1. Seleccionar Edit Material na Standard toolbar. Aparece a caixa de diálogo Material Editor .

2. Para criar uma nova base de dados de material:a. Botão direito na área da

esquerda e New Library . Aparece caixa de diálogo Save As .

b. Escreva o nome para a nova base de dados de material, por exemplo, MeuMaterial e fazer Save.

3. Para criar uma nova categoria de material:a. Botão direito na área esquerda e New Category .b. Escreva o nome para o material,

por exemplo, MaterialAço .



4. Para criar um novo material usando Alloy Steel por base:� Abrir SolidWorks Materials , clicar no sinal + e

Steel botão direito em Alloy Steel e Copy .� Botão direito na nova categoria acabada de

criar e Paste .� Botão direito na cópia de Alloy Steel ,

seleccionar Rename e escrever o novo nome, por exemplo, Aço1 .






5. Para modificar as propriedades do material, em Properties , clique-pausa-clique no valor de cada propriedade e escrever os seguintes valores:� Elastic modulus: 1.2e11� Poisson's ratio: 0.3� Density: 7500� Yield strength: 5e8

6. Clicar Save, Apply , e depois Close .

O Aço1 é associado à peça.



Seleccionar o botão SimulationXpress Analysis ou botão Tools , SimulationXpress .


1. Clicar Options . Aparece o ecrã

2. Fixar o System of units para SI.

3. Clicar em para definir a pasta para os resultados.

4. Activar Show annotation

5. Clicar Next





Verificar se o material da peça é o pretendido.


1. Clicar Next . 2. Alterar o nome FixedLargeHole

na árvore na caixa de diálogo.

3. Na área gráfica, seleccionar o furo largo. Aparece Face<1> na caixa de diálogo.

4. Clicar Next . Verificar se apa-rece FixedLargeHole e .

5. Clicar Next .

Para aplicar um carregamento.



1. Clicar Next . 2. Seleccionar Force e clicar Next .3. Definir o nome ForçaVertical na

caixa de diálogo.

4. Seleccionar a face a colocar a carga.

5. Clicar Next .6. Escolher normal to

reference plane .

7. Escolher o Top .




Aparece o plano TOP na caixa de diálogo.



8. Escrever 4000 para valor da força e clicar Next . Aparece ForçaVertical na caixa de diálogo e o em Load .

9. Clicar Next .

Aparece a caixa de diálogo Analyse .

Aparece a caixa de diálogo Analyze .



1. clicar Yes (recommended) para aceitar a geração de malha definida por omissão. Clicar Next .

2. Clicar Run .

Quando o cálculo está realiza-do aparece em Analyse . Aparece caixade diálogoResults .

Enquanto faz cálculos




Aparece na caixa de diálogo FOS (menor factor de segurança relativo à tensão de cedência) de 6,49443.



Se alterar FOS para 8 e clicar Show me . Aparece a seguinte imagem. Zona a vermelho está acima de 8.


Se alterarmos a peça, fazer Close para voltar ao editor normal.

Na árvore de criação editar o Cut-Extrude2 , e colocar Through All . A peça é alterada.

Seleccionar o botãoSimulationXpress Analysis .

ClicarUpdate

O passa

a





Para realizar uma eDrawings para análise dos resultados.



1. Clicar Next . Seleccionar No.

2. Clicar Next .

3. Seleccionar e Generate eDrawings . Clicar Next .

4. Aparece a caixa de diálogo SaveAs .

Dar nome ao ficheiro ou manter.

Para realizar uma eDrawings para análise dos resultados.



1. Clicar Close .

2. Clicar Yes para guardar os dados.

Pode-se optar por outras saídas

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