pedro alexandre vilaça moreira

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Pedro Alexandre Vilaça Moreira Projeto de produção de tubo elíptico em aço avançado de elevada resistência para uma serra de arco Pedro Alexandre Vilaça Moreira dezembro de 2015 UMinho | 2015 Projeto de produção de tubo elíptico em aço avançado de elevada resistência para uma serra de arco Universidade do Minho Escola de Engenharia

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Page 1: Pedro Alexandre Vilaça Moreira

Pedro Alexandre Vilaça Moreira

Projeto de produção de tubo elíptico emaço avançado de elevada resistênciapara uma serra de arco

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Universidade do MinhoEscola de Engenharia

Page 2: Pedro Alexandre Vilaça Moreira
Page 3: Pedro Alexandre Vilaça Moreira

dezembro de 2015

Dissertação de MestradoCiclo de Estudos Integrados Conducentes aoGrau de Mestre em Engenharia Mecânica

Trabalho efectuado sob a orientação deProfessor Doutor João Pedro MendonçaProfessor Doutor Nuno Peixinho

Pedro Alexandre Vilaça Moreira

Projeto de produção de tubo elíptico emaço avançado de elevada resistênciapara uma serra de arco

Universidade do MinhoEscola de Engenharia

Page 4: Pedro Alexandre Vilaça Moreira
Page 5: Pedro Alexandre Vilaça Moreira

i

AGRADECIMENTOS

Gostaria de deixar o meu sincero agradecimento a todas as pessoas que contribuíram e me

apoiaram ao longo do desenvolvimento deste trabalho.

Antes de mais, o meu agradecimento aos orientadores, Professor Doutor João Pedro Mendonça e

Professor Doutor Nuno Peixinho, por toda a disponibilidade e apoio fornecido, assim como pelo

conhecimento que partilharam no decorrer deste trabalho.

Um agradecimento ao Engenheiro Sérgio Costa que me apoiou no desenvolvimento do trabalho e

que se mostrou disponível na resolução dos problemas que fui encontrando.

Quero agradecer ao colega e amigo Nuno Fernandes pela partilha de conhecimento e vontade em

ajudar sempre que necessário para o progresso deste trabalho.

Agradeço à minha família, aos meus pais, Avelino Moreira e Angelina Vilaça, pelo apoio

incondicional nesta jornada académica. Ao meu irmão Nuno, pela amizade e espírito positivo que

contribuiu para facilitar e levar-me a superar os desafios académicos.

Agradeço a todos os amigos que fui encontrando, especialmente às pessoas que descobri em

grupos de ativismo como o Movimento Zeitgeist e o Rendimento Básico Incondicional Portugal,

que me ajudaram a perceber a importância da intervenção político-social na nossa sociedade.

Pedro Alexandre Vilaça Moreira

Page 6: Pedro Alexandre Vilaça Moreira

ii

RESUMO

Este projeto enquadra-se no âmbito da conclusão de estudos inserida no Mestrado Integrado em

Engenharia Mecânica da Universidade do Minho. O objetivo do trabalho consiste no

desenvolvimento de um tubo de secção elíptica para uma serra de arco manual utilizando um aço

avançado de elevada resistência.

Esta problemática surge pelo facto de cada vez mais se utilizarem este tipo de aços em diversas

aplicações. Tendo originalmente um grande aparecimento e evolução na indústria automóvel, tem

vindo a ser aplicado em novas situações, pelas suas propriedades mecânicas mais favoráveis,

podendo-se nomeadamente reduzir a massa de certos componentes, mantendo ou melhorando a

sua resposta a solicitações mecânicas.

Neste trabalho é feita, inicialmente, uma revisão bibliográfica abordando de forma curta as serras

de arco manuais e a sua história. Apresentam-se os diferentes tipos de aços avançados de elevada

resistência, assim como o seu comportamento e características. Procede-se a uma revisão sobre

uma propriedade muito relevante destes aços, o retorno elástico, embora importante em muitos

outros, neste caso torna-se determinante no sucesso da sua conformação, sendo necessário

compreender quais os métodos possíveis de correção. Faz-se ainda alusão aos processos de

fabrico de tubo com costura, ao seu funcionamento e gamas de aplicação.

De seguida, define-se o problema que se pretende resolver, que consiste de forma sucinta em

sujeitar um tubo de secção circular a conformação através de uma matriz elíptica, recorrendo a

simulação computacional, para se perceber que tipo de dificuldades se esperam e a introdução

de soluções viáveis. São definidos os componentes e o conjunto, o tipo de contacto existente, um

pequeno estudo sobre o tipo de malha e as condições de análise. Esta análise é executada com o

auxílio do programa ANSYS, utilizando o método dos elementos finitos.

Procura-se entender a relevância das tensões envolvidas, da problemática do retorno elástico e da

possibilidade de redução da espessura da parede do tubo para diferentes materiais. Efetua-se

ainda outra simulação com condições mais aproximadas da realidade em que se consideram

diferentes coeficientes de atrito nos contactos. Espera-se que, as conclusões que daqui resultam

apontem na direção de soluções futuras para problemas que se enquadrem neste contexto.

Page 7: Pedro Alexandre Vilaça Moreira

iii

ABSTRACT

This project is part of the completion of studies inserted in the Master’s in Mechanical Engineering

from the University of Minho. The main goal is the development of an elliptical section tube for a

bow saw using an advanced high strength steel.

This problem arises because the use of this type of steel has been increasing for many applications.

Originally it had a great appearing and development in the automotive industry, it has been applied

in new circumstances, by their more advantageous mechanical properties, being able to notably

reduce the mass of certain components while maintaining or improving their response to

mechanical stress.

This work begins, initially, with a literature review addressing, in a concise way, bow saws and its

history. This paper presents the different types of advanced high strength steels, as well as their

behavior and characteristics. Proceeds to a review of a very relevant property of these steels, the

spring back effect, while important in many others, in this steel it becomes determinant in the

success of its conformation, also being essential to understand what are the possible correction

methods. It is further mentioned the manufacturing processes of welded tube, regarding their

operation and its application range.

Then, the problem to be solved is defined, which is succinctly to submit a circular section tube to

conformation by an elliptical matrix, using computer simulation, to realize what kind of difficulties

are expected and to introduce viable solutions. Components and the assembly are defined, as well

as the existing contact types, a small study on the mesh is presented and the analytical conditions

are set. This analysis is executed with the help of the ANSYS software, using the finite element

method.

Examining the relevance of the stress involved, the problem of spring back and the possibility of

reducing the thickness of the tube wall for different materials. Executing yet another simulation

with more approximate conditions of reality in which it is considered different coefficients of friction

in contacts. It is expected that the conclusions that arise, point toward future solutions to problems

that are suitable in this context.

Page 8: Pedro Alexandre Vilaça Moreira

iv

ÍNDICE

DECLARAÇÃO ................................................................................................................................ i

AGRADECIMENTOS ....................................................................................................................... i

RESUMO ........................................................................................................................................ ii

ABSTRACT .................................................................................................................................... iii

ÍNDICE DE FIGURAS .................................................................................................................... vii

ÍNDICE DE TABELAS .................................................................................................................... ix

1. INTRODUÇÃO ........................................................................................................................ 1

1.1. Enquadramento ................................................................................................................ 1

1.2. Objetivos .......................................................................................................................... 1

1.3. Organização da dissertação ............................................................................................... 2

2. AÇOS AVANÇADOS DE ELEVADA RESISTÊNCIA ................................................................. 3

2.1. Evolução das serras de arco .............................................................................................. 3

2.2. Modo de utilização da serra ............................................................................................... 4

2.3. Marcas e características .................................................................................................... 4

2.4. Enquadramento histórico dos aços..................................................................................... 5

2.5. Classificação dos aços de elevada resistência – HSS ........................................................... 7

2.6. Aços convencionais .......................................................................................................... 8

2.7. Aços Avançados de Elevada Resistência (AHSS) .................................................................. 9

2.9. Retorno elástico .............................................................................................................. 17

2.9.1. Alteração angular.................................................................................................... 18

2.9.2. Curvatura da parede ............................................................................................... 19

2.9.3. Torção ................................................................................................................... 22

3. PRODUÇÃO DE TUBO ......................................................................................................... 25

3.1. Tubo com costura........................................................................................................... 25

3.1.1. Processo Fretz-Moon ............................................................................................... 27

3.1.2. Processo de corrente contínua ................................................................................. 28

3.1.3. Processo a baixa frequência .................................................................................... 28

3.1.4. Processo a alta frequência ...................................................................................... 29

4. ESTUDO DA CONFORMAÇÃO DO TUBO NO SENTIDO TRANSVERSAL ............................ 31

4.1. Definição do problema .................................................................................................... 31

Page 9: Pedro Alexandre Vilaça Moreira

v

4.2. Cálculo do raio necessário para o tubo ............................................................................. 31

4.3. Modelação dos componentes .......................................................................................... 32

4.4. Simulação computacional ............................................................................................... 34

4.4.1. Especificação do material ........................................................................................ 34

4.4.2. Definição dos contactos .......................................................................................... 35

4.4.3. Criação da malha ................................................................................................... 36

4.4.3.1. Parâmetros de avaliação da malha....................................................................... 37

4.4.3.2. Definição da tipologia do elemento ....................................................................... 39

4.4.3.3. Mapear a área/volume de malha ......................................................................... 40

4.4.3.4. Definição do tamanho de elemento ...................................................................... 41

4.4.4. Condições da análise .............................................................................................. 41

4.4.5. Resultados ............................................................................................................. 42

5. ESTUDO DA CONFORMAÇÃO DO TUBO NO SENTIDO LONGITUDINAL........................... 46

5.1. Definição do problema .................................................................................................... 46

5.2. Condições de análise ...................................................................................................... 46

5.3. Resultados ..................................................................................................................... 47

5.4. Condições de atrito ......................................................................................................... 50

5.5. Diferentes espessuras da parede do tubo ......................................................................... 52

5.6. Solução alternativa ......................................................................................................... 54

6. CONCLUSÕES ..................................................................................................................... 56

6.1. Trabalhos futuros ........................................................................................................... 57

REFERÊNCIAS ............................................................................................................................ 58

ANEXOS ....................................................................................................................................... 61

ANEXO A – Resumo das características dos diversos AHSS ........................................................... 62

ANEXO B – Gráfico do diâmetro e espessura da parede do tubo ..................................................... 65

ANEXO C – Especificação do material .......................................................................................... 66

ANEXO D – Valores da constante C .............................................................................................. 69

ANEXO E – Definição do tamanho de elemento da malha .............................................................. 70

ANEXO F – Dados dos gráficos apresentados nos resultados ......................................................... 71

ANEXO G – Tutorial para realização da simulação do Caso de Estudo (Cap.3) ................................. 88

Page 10: Pedro Alexandre Vilaça Moreira

vi

LISTA DE SIGLAS

AHSS Advanced High Strength Steel

CAD Computer-aided Design

CAE Computer-aided Engineering

HSS High Strength Steel

ULSAB Ultralight Steel Auto Body

LSS Low Strength Steel

HSLA High Strength Low Alloy

UHSS Ultra High Strength Steel

IF Interstitial Free

BH Bake Hardening

DP Dual Phase

CP Complex Phase

FB Ferritic-Bainitic

MS/MART Martensitic Steel

TRIP Transformation-Induced Plasticity

HF Hot-Formed

SF Stretch-flangeable

IGES Initial Graphics Exchange Specification

Page 11: Pedro Alexandre Vilaça Moreira

vii

ÍNDICE DE FIGURAS

Figura 1 - Configuração de uma serra do século XVIII .......................................................................... 3

Figura 2 - Serras de arco da Bahco .................................................................................................... 4

Figura 3 – Comparação do impacto de diferentes materiais para um componente equivalente ............... 6

Figura 4 – Evolução positiva no uso de aços HSS e AHSS .................................................................... 7

Figura 5 - Tensão de cedência e alongamento total dos aços................................................................ 8

Figura 6 - Diagrama global para diferentes gamas de AHSS ............................................................... 10

Figura 7 - Esquema da microestrutura do aço DP .............................................................................. 11

Figura 8 - Microestrutura do aço FB e teste de expansão do furo ........................................................ 11

Figura 9 – Microestrutura do aço CP ................................................................................................ 12

Figura 10 – Microestrutura do aço MS ............................................................................................. 13

Figura 11 – Esquema da microestrutura do aço TRIP ........................................................................ 13

Figura 12 – Tensão-deformação para gamas de aço TRIP e aço macio ............................................... 14

Figura 13 - Tensão-deformação do aço em diferentes fases ............................................................... 15

Figura 14 – Curva Tensão-deformação ............................................................................................ 16

Figura 15 - Curva tensão-deformação e retorno elástico ..................................................................... 17

Figura 16 – Retorno elástico na dobragem de chapa ......................................................................... 18

Figura 17 – Alteração angular.......................................................................................................... 19

Figura 18 – Efeito de curvatura da parede ........................................................................................ 20

Figura 19 – Influência do encruamento no retorno elástico ................................................................ 20

Figura 20 – Alteração angular menor para os AHSS .......................................................................... 21

Figura 21 – Curvatura da parede maior para os AHSS ....................................................................... 21

Figura 22 – Momentos torsores nos componentes ............................................................................ 22

Figura 23 – Retorno elástico para um aço DP e um HSLA.................................................................. 22

Figura 24 – Temperaturas abaixo dos 750K (esquerda) Temperaturas acima dos 750K (direita) .......... 23

Figura 25 – Curva de tensão deformação obtida a uma temperatura 773K ......................................... 23

Figura 26 – Processos de soldadura no fabrico de tubo ..................................................................... 26

Figura 27 – Solda longitudinal [23] e solda helicoidal ........................................................................ 26

Figura 28 – Processo de Fretz-Moon ................................................................................................ 27

Figura 29 – Representação esquemática do processo a baixa frequência ............................................ 29

Figura 30 – Representação esquemática do processo de deformação por rolos ................................... 30

Figura 31 – Dimensões da secção do tubo pretendida. ...................................................................... 31

Page 12: Pedro Alexandre Vilaça Moreira

viii

Figura 32 – Dimensões da secção circular do tubo. .......................................................................... 32

Figura 33 – Tubo circular com r=10,1 mm ....................................................................................... 32

Figura 34 – Matriz elíptica a=24 mm b=16 mm ................................................................................ 33

Figura 35 – Conjunto matrizes elípticas e tubo. ................................................................................. 33

Figura 36 – Estrutura base da Análise estrutural estática ................................................................... 34

Figura 37 – Materiais selecionados .................................................................................................. 35

Figura 38 - Seleção das superfícies de contacto ................................................................................ 36

Figura 39 – Malha obtida por defeito ................................................................................................ 37

Figura 40 - Triângulos e quadriláteros ideais e oblíquos. .................................................................... 38

Figura 41 - Aplicação do Mapped face meshing ................................................................................ 40

Figura 42 - Posição inicial e posição de máximo deslocamento da matriz ............................................ 42

Figura 43 – Deformação total final no tubo (mm) .............................................................................. 43

Figura 44 - Ilustração dos deslocamentos existentes .......................................................................... 47

Figura 45 – Sobreposição da secção pretendida (a tracejado) à secção obtida .................................... 49

Figura 46 – Folga de 0,5 mm entre as meias matrizes ...................................................................... 55

Page 13: Pedro Alexandre Vilaça Moreira

ix

ÍNDICE DE TABELAS

Tabela 1 – Valores de assimetria e correspondente qualidade ............................................................ 39

Tabela 2 – Parâmetros de qualidade para tetraedros e hexaedros ...................................................... 39

Tabela 3 - Parâmetros de qualidade para hexaedros mapeados .......................................................... 40

Tabela 4 – Parâmetros de qualidade para “Sizing” de 1 e 2 mm ........................................................ 41

Tabela 5 – Retorno elástico nos diferentes materiais ......................................................................... 44

Tabela 6 – Tensão no tubo do primeiro caso de estudo e do segundo caso de estudo .......................... 48

Tabela 7 – Coeficiente de atrito aço-aço [28] .................................................................................... 50

Tabela 8 – Tensão e deformação para diferentes espessuras ............................................................. 54

Page 14: Pedro Alexandre Vilaça Moreira

1

1. INTRODUÇÃO

Neste capítulo é descrita uma introdução ao trabalho que foi desenvolvido, iniciando-se com um

enquadramento geral do tema em questão. São apresentados os objetivos do trabalho, assim

como a sua organização ao nível da estrutura.

1.1. Enquadramento

A utilização de novos componentes para as aplicações de engenharia tem por base o

desenvolvimento e experimentação de novos materiais, com o objetivo de resolver ou otimizar

problemas conhecidos, intervindo também em conjunto com a sua geometria e dimensões.

Considerando a importância do aço como liga de ferro e carbono que é amplamente utilizada na

engenharia, construção, entre outras vastas aplicações, devido à sua elevada resistência e baixo

custo, é necessário um constante trabalho no sentido de melhorar o seu potencial e introduzir

novas áreas de uso. Esta necessidade tem vindo a verificar-se na procura de melhores

propriedades mecânicas, nomeadamente na redução da sua massa, tentando-se reduzir o impacto

ambiental de toda a indústria em volta da produção de aço, assim como na resolução de questões

ergonómicas e de segurança.

Neste trabalho é dada importância a uma gama de aços denominada Aços Avançados de elevada

Resistência (AHSS), por serem capazes de atingir propriedades mecânicas desejáveis para certas

situações que serão detalhadas mais adiante. A integração deste material será aplicada num tubo

circular que será sujeito a conformação, para secção elíptica. Serão testados em termos de

simulação numérica, três materiais, um AHSS e dois aços convencionais. Embora o objetivo final

seja a aplicação a uma serra de arco, a fase seguinte de dobragem de tubo não faz parte dos

objetivos deste trabalho. O culminar deste projeto pretende deixar uma ideia sobre a forma como

se comportam os AHSS na produção de tubo elíptico, evidenciando as vantagens e desvantagens

que podem surgir. E perceber a grandeza das tensões e deformações envolvidas para os diferentes

materiais.

1.2. Objetivos

Os objetivos gerais da dissertação assentam de forma sucinta no seguinte:

Page 15: Pedro Alexandre Vilaça Moreira

2

- Recolher e compreender a informação que existe em volta do tema, de forma que seja possível

definir o problema que se pretende resolver ou otimizar;

- Propor soluções e desenvolvê-las;

- Avaliar as implicações que trazem eventuais soluções ao nível técnico-científico, aplicando as

diversas áreas da engenharia mecânica;

- Utilização de software computacional, como o CAD e CAE;

- Compreensão do procedimento de investigação científico.

1.3. Organização da dissertação

Relativamente à estrutura desta dissertação, esta divide-se em 7 capítulos.

No primeiro apresenta-se uma pequena introdução com o enquadramento do trabalho, os objetivos

a atingir e uma breve descrição de como se encontra organizado o trabalho.

O segundo capítulo inicia-se com uma breve revisão bibliográfica sobre o enquadramento histórico

das serras de arco manuais, o seu funcionamento e a sua aplicação, seguindo-se a evolução dos

aços, até aos tipos de aços avançados de elevada resistência, as suas características e aplicações.

Trata ainda um aspeto muito específico, mas importante, o retorno elástico nos aços, que é ainda

mais relevante nos AHSS.

O terceiro capítulo descreve os processos típicos de produção de tubo, com mais detalhe sobre a

produção de tubo com costura.

No quarto capítulo é apresentado um caso de estudo acerca da conformação do tubo de secção

circular, em secção elíptica recorrendo a software computacional, tendo em atenção o tamanho

de malha e o seu refinamento, as condições de análise, obtendo e analisando os resultados que

daí vêm.

No quinto capítulo são otimizadas as simulações realizadas de forma a pôr à prova certos

parâmetros, como o deslocamento ao longo do tubo, a forma como se aplica a tensão, a existência

de um coeficiente de atrito nos contactos, entre outros fatores.

No sexto capítulo é exposta uma conclusão do trabalho a par com uma reflexão crítica acerca dos

resultados obtidos. É ainda deixado em aberto algumas possibilidades de trabalhos futuros que

surgem na sequência do trabalho realizado e documentado nesta dissertação.

Page 16: Pedro Alexandre Vilaça Moreira

3

2. AÇOS AVANÇADOS DE ELEVADA RESISTÊNCIA

2.1. Evolução das serras de arco

A serra de arco manual consiste numa armação capaz de oferecer uma tensão na lâmina de corte,

habitualmente utilizada no trabalho com madeira, mas podendo ser aplicada em outros materiais.

De um modo geral, as serras de arco primordiais eram estreitas e tinham a lâmina sobre tensão

entre as extremidades inferiores de madeira, enquanto que as extremidades superiores eram

ligadas por um cabo, para se poder ajustar a tensão na serra. Na figura 3 pode ver-se uma serra

(atual) com a configuração de uma típica do século XVIII.

Figura 1 - Configuração de uma serra do século XVIII [1]

Esta serra é formada por duas extremidades de madeira com uma geometria idêntica,

proporcionando uma boa rigidez, sendo posicionados paralelamente. A viga de madeira colocada

a meia distância mantém os outros componentes, cabo e serra, sob tensão.

Este contém ainda um braço fixo ao centro das duas extremidades no qual é ajustado o cabo sob

tensão, na zona superior. Na parte inferior é colocada a lâmina devidamente acoplada nas

extremidades e por consequência da tensão no cabo, encontra-se também sob tensão. Uma

diferença evidente neste tipo de serra, em comparação com outras desenvolvidas ao longo da

história, tem a ver com a possibilidade de se ajustar a tensão na lâmina. [2]

As serras de arco atualmente servem essencialmente para realizar trabalho manual de corte de

madeira, possuindo diversos tamanhos e algumas variações de aplicação. A lâmina encontra-se

sob tensão graças a uma estrutura tubular em aço, tipicamente com uma secção elíptica. O

comprimento das serras varia, normalmente, entre os 530 mm e os 910 mm. [3]

Page 17: Pedro Alexandre Vilaça Moreira

4

2.2. Modo de utilização da serra

A utilização da serra é feita pela força imposta pelo operador num movimento do braço, apoiando

parte do seu corpo sobre a estrutura da serra. O curso da lâmina deve ser usado no máximo da

sua extensão para se aproveitar o poder de corte, provocando um desgaste mais uniforme da

serra.

Os dentes da lâmina são naturalmente cortantes, sendo aconselhada a utilização de equipamento

de proteção individual, como luvas e calçado de segurança. Quando não em utilização deve ser

colocada a proteção da lâmina para que esta não permaneça exposta. [3]

No que diz respeito à sua manutenção, a lâmina da serra é o componente que sofre maior

desgaste durante a utilização, sendo necessária a sua substituição de forma regular de acordo

com a periodicidade da sua utilização. Deve também verificar-se a tensão da lâmina e o aperto

dos parafusos de fixação, assim como lubrificar ligeiramente a lâmina, tendo em atenção que não

se deve colocar demasiado lubrificante. O excesso de lubrificante reduz demasiado o atrito entre

a lâmina e o material a ser cortado, podendo levar a processo muito pouco eficaz. [3]

2.3. Marcas e características

No mercado encontram-se disponíveis diversos fabricantes de serras de arco, como a Bahco,

Bellota, Irwin, Benchmark, entre outras. Considerando apena as serras de arco da Bahco podem

verificar-se vários modelos direcionados para o tipo de trabalho a ser realizado. Na figura 4

apresentam-se algumas das serras de arco da Bahco.

Figura 2 - Serras de arco da Bahco [4]

Page 18: Pedro Alexandre Vilaça Moreira

5

Existem no mercado diversas variações destas serras, enumerando-se de seguida algumas com

base no catálogo da Bahco [4]

Serra de arco ERGO com folha para madeira verde/seca

Serra de arco com folha

Serra de arco convencional com folha rotativa

Serra de arco, madeira verde/seca

Serra de arco – madeira e metais

2.4. Enquadramento histórico dos aços

Os aços de alta resistência (HSS – High strength steels) têm sido utilizados ao longo dos anos

principalmente na indústria automóvel, entre 1960 e 1970 utilizava-se predominantemente os

aços macios (Mild steels) devido à sua boa rigidez e bom desempenho a nível estrutural. Nesta

altura os aços de alta resistência (HSS) tinham a mesma rigidez que os aços macios não havendo,

por isso, razão para a sua troca uma vez que estes também tinham um custo inferior. [5]

Em 1980 devido à maior dependência do petróleo, o aumento dos preços dos combustíveis e as

preocupações a nível ambiental fez com que os fabricantes de aços introduzissem os aços

convencionais de alta resistência. [5]

Em 1994, foi iniciado um programa para desenvolver uma estrutura em aço mais leve para

automóveis (ULSAB), que deveria cumprir uma série de parâmetros de segurança e desempenho.

A carroçaria apresentada em 1998 veio validar o projeto conceptual do programa ULSAB, esta

demonstrou ser mais leve, estruturalmente sólida, segura, de produção executável e acessível. Um

dos principais fatores que a levou ao sucesso foi a aplicação de um novo grupo de aços chamados

Aços Avançados de elevada Resistência (AHSS). Estes aços tinham uma microestrutura única que

utiliza processos de deformação e transformação de fase complexas para atingirem uma

combinação de resistência e ductilidade que não existiam anteriormente. Outra vantagem era a

possibilidade de se utilizarem processos de estampagem e montagem de equipamentos com a

tecnologia já existente. [6]

Em 2008, a associação World Auto Steel iniciou outro programa chamado “FutureSteelVehicle”,

no qual produtores de aço aceleraram o desenvolvimento de novas gamas de aços para valores

de resistência mais elevados e adicionaram um parâmetro de projeto para reduzir as emissões

Page 19: Pedro Alexandre Vilaça Moreira

6

resultantes do seu ciclo de vida. Para o ilustrar na figura 1 é apresentado um cálculo que considera

apenas a massa de material necessária para um componente e o valor médio de emissão de CO2

por quilograma. [6]

Figura 3 – Comparação do impacto de diferentes materiais para um componente equivalente [6]

Embora menos massa seja necessária para se poder produzir o mesmo componente utilizando

materiais alternativos, o valor das emissões de CO2 pode até ser superior quando se consideram

todos os custos inerentes ao seu processo de fabrico. Este tipo de aço torna-se assim essencial

devido a novas especificações globais no que diz respeito à segurança dos automóveis em caso

de colisão, na possibilidade de se economizar combustível e consequentemente na emissão dos

gases de escape. Isto tem especial relevância quando se consideram as metas de redução das

emissões de gases de efeito estufa para 2020, as quais têm objetivos muito ambiciosos, forçando

o desenvolvimento de novos componentes que devem ser, no entanto, manufaturáveis e

economicamente viáveis para as empresas que trabalham nesta área. Sendo assim, os fabricantes

devem procurar um equilíbrio entre desempenho, segurança, eficiência energética, preço e meio

ambiente, mantendo um design atrativo para os clientes. Pretende-se o desenvolvimento de aços

avançados capazes de atingir altos valores de resistência, na mesma medida em que se proceda

a uma redução da massa do veículo. [6]

Durante os próximos anos é expectável que o uso dos AHSS tenha um tremendo aumento, e é por

isso importante a acumulação de conhecimento das suas aplicações. Na figura 2 pode verificar-

se um aumento da sua utilização, conseguindo uma redução do peso do corpo e estrutura

automóvel. A indústria automóvel foi o grande impulsionador do seu desenvolvimento, mas o seu

estudo pode contribuir em muitas outras áreas em que seja preferível a sua implementação.

Page 20: Pedro Alexandre Vilaça Moreira

7

Figura 4 – Evolução positiva no uso de aços HSS e AHSS (Adaptado de [6])

2.5. Classificação dos aços de elevada resistência – HSS

Ao longo do tempo, os aços têm sofrido grandes desenvolvimentos com otimizações no seu

comportamento. Sendo assim, é essencial classificar os aços, podendo fazê-lo de três formas

distintas.

Na primeira classificação pode ter-se em consideração a sua microestrutura, sendo esta de

carácter metalúrgico. Podem apontar-se os aços de baixa resistência (LSS) com baixo carbono

distribuído intersticialmente, os aços de elevada resistência (HSS) onde se inclui os aços ao

carbono, manganês e os de baixa liga (HSLA). Finalmente, os aços de muito elevada resistência

(UHSS) do qual fazem parte os aços avançados de elevada resistência (AHSS), que serão

estudados com mais detalhe adiante. [7]

Na segunda classificação os aços podem ser organizados pela sua resistência. Os aços de baixa

resistência (LSS) têm uma tensão de cedência inferior a 270 MPa, sendo que os aços de elevada

resistência (HSS) têm uma tensão de cedência entre os 210 MPa e os 550 MPa e tensão de rutura

entre os 270 MPa e os 700 MPa. Os aços de muito elevada resistência (UHSS) são caracterizados

por uma tensão de cedência superior a 550 MPa e tensão de rutura acima de 700 MPa. [7]

A terceira classificação está dependente de outras propriedades mecânicas para além da tensão

de cedência, onde são tidos em conta o alongamento total, o coeficiente de encruamento, o

coeficiente de expansão do furo, entre outras. Como exemplo, diferentes aços são comparados

num diagrama de tensão-alongamento, na figura 5. Observa-se ainda a divisão (a traço

Page 21: Pedro Alexandre Vilaça Moreira

8

interrompido) da segunda classificação mencionada acima. Nos aços convencionais o aumento

da resistência é conseguido com um compromisso da redução de conformabilidade.

Figura 5 - Tensão de cedência e alongamento total dos aços [8]

2.6. Aços convencionais

O aço macio convencional tem uma estrutura ferrítica relativamente simples, tem tipicamente um

baixo teor de carbono e elementos de liga, é facilmente formado e é especialmente procurado pela

sua ductilidade. É amplamente produzido e serve muitas vezes como material de base para

comparar com outros materiais. Normalmente os convencionais incluem os IF (Intersticial livre),

BH (Endurecimento térmico) e HSLA (Alta resistência e baixa liga). Estes têm geralmente uma

tensão de cedência inferior a 550 MPa e uma ductilidade que decresce com o aumento da

tensão.[9]

O aço IF tem esta designação devido ao facto de não existirem átomos de soluto intersticiais na

estrutura da matriz, resultando num aço muito macio. Estes aços têm normalmente uma baixa

tensão de cedência, elevada taxa de deformação plástica e uma boa formabilidade. A falta de

átomos intersticiais na estrutura atómica permite a este aço uma boa ductilidade, ideal para

estampagem profunda. A principal desvantagem deste aço é o facto de poder ser demasiado

macio, resultando em rutura e a sua utilização não poderá garantir resistência suficiente para

certas aplicações. A presença de carbono e azoto neste aço resulta em melhores propriedades

mecânicas, endurecimento e diminuição da resistência à estampagem. [10]

Page 22: Pedro Alexandre Vilaça Moreira

9

O aço BH passa por um processo avançado para produzir aços de baixo carbono, normalmente

utilizados em carroçarias de automóveis, com elevada resistência. Um tratamento térmico

otimizado de recozimento é necessário para se obter carbono suficiente na solução. Utilizando um

aço desgaseificado por vácuo é possível adicionar quantidades precisas de elementos de liga,

obtendo-se assim aços parcialmente estabilizados. O elemento de liga difunde-se na matriz

formando uma solução sólida. Estes aços têm assim um processo químico mais complexo que os

aços IF. O procedimento de endurecimento térmico aumenta a tensão de cedência dos aços BH,

mantendo a excelente maleabilidade. [11]

Os aços HSLA estiveram entre os primeiros aços de alta resistência amplamente usados em

aplicações automóveis. Carbonetos de liga dispersos e agregados de ferrite-perlite assentes numa

matriz ferrítica, com teor baixo de liga. Esta estrutura complexa juntamente com o refinamento do

tamanho de grão para maior resistência é o que origina este tipo de aço. O HSLA geralmente é

produzido para atender às especificações mecânicas, é normalmente resistente à corrosão,

moldável e pode ser soldado. [8] Estes aços são projetados para oferecerem melhores

propriedades mecânicas assim como maior resistência à corrosão atmosférica. Têm um conteúdo

baixo de carbono (0,05-0,25%), com o fim de apresentarem uma formabilidade e soldabilidade

adequada. Tem valores de manganês até 2% e quantidade inferiores de crómio, níquel, molibdénio,

cobre, azoto, vanádio, nióbio, titânio e zircónio. [12]

2.7. Aços Avançados de Elevada Resistência (AHSS)

Os Aços Avançados de elevada resistência são materiais complexos, com composições químicas

selecionadas e microestruturas multifásicas resultantes de processos de aquecimento e

arrefecimento controlados de forma meticulosa. Os diversos mecanismos para os obter são

aplicados para atingir uma gama de propriedades de resistência, ductilidade, dureza e resistência

à fadiga. A família de aços AHSS inclui diversas variantes que servem para atender às

especificações de desempenho a nível funcional de certos componentes. [6]

Recentemente tem-se apostado na investigação e desenvolvimento da terceira geração de aços

AHSS, contendo maior resistência/ductilidade em comparação com os presentes. As diferentes

variedades destes aços são apresentadas na figura 6.

Page 23: Pedro Alexandre Vilaça Moreira

10

Figura 6 - Diagrama global para diferentes gamas de AHSS [6]

Os aços com tensões de cedência superiores a 550 MPa são geralmente designados de AHSS.

Estes aços são também chamados de UHSS quando a sua resistência excede os 780 MPa. Os

aços que ultrapassam os 1000 MPa de resistência são conhecidos por aços “Giga Pascal”. A

terceira geração dos AHSS pretende oferecer alternativas melhoradas ou equivalentes às

existentes, a um custo mais reduzido. Esta classe de aços mais recente tem uma resistência e

alongamento melhorado, atingida através do desenvolvimento de microestruturas mais complexas

conseguidas por processos de arrefecimento controlados. [6]

De seguida são apresentados os diferentes AHSS mais relevantes, assim como as suas

propriedades. Os aços aqui descritos: aço DP (bifásico), o FB (ferrítico-bainítico), o MS

(martensítico), o TRIP (Plasticidade induzida pela deformação) e o HF (deformado a quente).

A microestrutura do aço DP (Dual-Phase) consiste numa matriz ferrítica macia e aglomerados de

martensite dura, como se pode verificar na figura 7. Esta classe de aços é caracterizada por uma

tensão de cedência de aproximadamente 550 MPa e uma microestrutura que consiste em cerca

de 20% de martensite dispersa numa matriz de ferrite macia. A combinação de fases macias e

duras resulta numa relação resistência-ductilidade excelente, com a resistência a aumentar com

o aumento de martensite. [13]

Page 24: Pedro Alexandre Vilaça Moreira

11

Figura 7 - Esquema da microestrutura do aço DP [14]

Os aços DP podem ser obtidos a quente ou a frio e igualmente terem bom comportamento ao

encruamento térmico. Se forem laminados a quente, o arrefecimento é controlado

minuciosamente para se obter a estrutura ferrítica-martensítica. Se este for recozido

continuamente ou por imersão a quente, a estrutura final é produzida a partir de uma estrutura

ferrítica-austenítica de fase dupla que é rapidamente arrefecido para transformar parte da austenite

em martensite. A ferrite no material final é excecionalmente dúctil e absorve a tensão em torno

dos aglomerados martensíticos, permitindo o alongamento uniforme para altas taxas de

endurecimento e resistência à fadiga. Os aços DP podem ser desenvolvidos desde uma baixa até

muito elevada tensão de cedência, levando a uma ampla gama de aplicações na zona de

deformação. Algumas das suas aplicações incluem vigas e elementos transversais, reforços de

colunas, torres de amortecedores, rodas, entre muitas outras. [6]

O aço FB é também um Dual-Phase, com ferrite macia e bainite dura. A microestrutura

apresentada na figura 8 é mais fina que um aço DP típico, no entanto, esta pode ainda ser mais

ajustada para se tornar um aço SF (Stretch-flangeable). Esta característica pode ser medida com

um teste de expansão de um furo (figura 8) e permite saber a capacidade de um FB/SF em resistir

ao alongamento a partir desse mesmo furo. A segunda fase de bainite e refinamento de grão fazem

do FB um bom aço com excelente maleabilidade.[9]

Figura 8 - Microestrutura do aço FB [9] e teste de expansão do furo [15]

Page 25: Pedro Alexandre Vilaça Moreira

12

O aço FB tem um bom desempenho em condições de carregamento dinâmico, tornando-o

adequado para situações de vibrações. São utilizados em perfis, peças mecânicas, vigas, reforços

e rodas. O SF é recomendado para suspensões e chassis, devido às suas boas propriedades de

fadiga em condições de carga dinâmica.[9]

Os aços CP têm uma microestrutura mista com uma matriz de ferrite/bainite, contendo porções

de martensite, austenite retida e perlite, como mostra a figura 9. Estes exibem uma elevada

resistência à fadiga, superiores aos aços DP, no entanto são mais suscetíveis a picos de tensão,

como cargas excessivas. [16]

Figura 9 – Microestrutura do aço CP [9]

A fina microestrutura dá ao aço CP uma elevada tensão de cedência e alongamento para

solicitações semelhantes aos aços DP. Estes têm boas características de desgaste e resistência à

fadiga e podem ainda ser endurecidos termicamente. As suas características permitem assim um

material para elevada absorção de energia, sendo uma boa escolha para componentes que

poderão estar sujeitos ao impacto, como vigas e reforços. [16]

Nos aços MS quase toda a austenite é convertida em martensite. A matriz martensítica resultante

contém também uma pequena quantidade de ferrite muito fina e/ou fases de bainite. Esta

estrutura normalmente forma-se com um arrefecimento rápido na sequência de um processo de

laminagem a quente, recozimento ou um tratamento térmico após formação. O aumento do teor

de carbono aumenta a resistência e a dureza. Combinações determinadas podem ser realizadas

com silício, crómio, manganês, boro, níquel, molibdénio e/ou vanádio, possibilitando o aumento

da temperabilidade. [9] Na figura 10 pode ver-se a microestrutura de um aço MS temperado.

Page 26: Pedro Alexandre Vilaça Moreira

13

Figura 10 – Microestrutura do aço MS [9]

O aço MS resultante é conhecido pela sua extremamente alta resistência, sendo possível obter

valores de resistência na gama dos 900 aos 1700 MPa. Este aço tem um baixo alongamento, mas

após têmpera pode melhorar a sua ductilidade, permitindo alguma maleabilidade, no entanto, o

tratamento térmico diminui a sua resistência. A gama destes aços é recomendada para vigas de

reforço, molas, grampos e outros componentes estruturais. [9]

O aço TRIP, tal como nos aços CP, tem uma microestrutura multifásica com uma matriz ferrítica

macia, com fases duras. A matriz contém uma elevada quantidade de austenite retida, e alguma

de martensite e bainite, como se pode verificar pela figura 11.

Figura 11 – Esquema da microestrutura do aço TRIP [6]

Este aço oferece a mais elevada combinação de resistência e alongamento, que leva a um elevado

nível de absorção de energia. O enriquecimento de austenite pelo carbono ocorre durante o

tratamento de recozimento. O arrefecimento inicial, relativamente lento, ao contrário de um

arrefecimento rápido, resulta no enriquecimento da austenite, promovendo a sua estabilidade. A

Page 27: Pedro Alexandre Vilaça Moreira

14

posterior estabilidade é garantida aquando da transformação da austenite em bainite. O silício

e/ou alumínio é geralmente introduzido para acelerar a formação de ferrite/bainite, ao mesmo

tempo que se suprime a formação de carbonetos nestas regiões. [17]

Por exemplo, para componentes automóveis em aços TRIP altamente estabilizados, este atraso

pode permitir que a austenite permaneça até que haja um evento de colisão, em que esta se

transforma em martensite. Outros factores que influenciam a transformação são as condições

específicas de deformação, tal como a taxa de deformação, o modo de deformação, a temperatura

e o objeto que provoca a deformação. [9] Na figura 12 é possível ver que a deformação continua

até valores muito elevados de tensão.

Figura 12 – Tensão-deformação para gamas de aço TRIP e aço macio [9]

O aço HF contém tipicamente 0,002 a 0,005 % de boro. Os processos utilizados para produzir

este aço concedem-lhe uma série de propriedades únicas. Este pode ser deformado a quente

manipulando a peça no estado austenítico, a altas temperaturas, ou pode ser aquecido,

terminando a sua deformação na segunda fase, seguindo-se até à temperatura ambiente. Nas

duas situações o aço é submetido a várias transições, ao nível das suas propriedades de

alongamento e resistência [9], como se pode ver na figura 13, acabando com um arrefecimento

rápido para atingir as propriedades mecânicas finais.

Page 28: Pedro Alexandre Vilaça Moreira

15

Figura 13 - Tensão-deformação do aço em diferentes fases [6]

Quando se aplica o primeiro processo “direct hot-forming”, o aço é estampado, à temperatura

ambiente e de seguida aquecido até à temperatura de austenitização. O aço é então deformado a

quente na ferramenta de conformação, desenvolvendo a microestrutura martensítica. Utilizando o

processo de “indirect-hot forming” o aço é estampado e formado à temperatura ambiente. O

componente é então aquecido e a sua formação é terminada na fase em que este está com baixa

resistência e alto alongamento. O arrefecimento na matriz origina as propriedades finais desejadas.

Componentes feitos neste tipo de aço têm diversas vantagens, como a alta resistência e reduzido

retorno elástico. O componente permanece na matriz aquando do arrefecimento, e por isso o

retorno elástico é quase inexistente. Reparar um componente deste material é algo muito limitado,

pois o aço HF torna-se frágil após um impacto (colisão), sendo que o calor necessário para o

corrigir degrada a resistência da peça. [9]

O uso do aço HF, também chamado de UHSS (aço de ultra elevada resistência) por alguns

fabricantes de automóveis, tem vindo a crescer rapidamente na Europa, assim como a

investigação de outros materiais para o mesmo processo, e ainda novos revestimentos para

melhorar a resistência à corrosão. As suas aplicações incluem membros de paredes laterais nos

automóveis, vigas para impacto, arcos e outros componentes sujeitos a elevadas cargas. [9]

No Anexo A podem consultar-se tabelas com o resumo das características típicas dos AHSS aqui

mencionados, ao nível da microestrutura, conformabilidade, soldabilidade, vantagens e

desvantagens, e as suas aplicações.

2.8. Curva Tensão-deformação

A curva da tensão de engenharia (σ) é definida como a força dividida pela área. A tensão é

normalmente representada graficamente em função da deformação (ε), que é a percentagem de

Page 29: Pedro Alexandre Vilaça Moreira

16

variação da dimensão de um objeto sujeito a esforço. A curva resultante é essencial para a

compreensão de diversas propriedades mecânicas do material.

Quando se aplica uma tensão na região elástica, as ligações entre átomos são alongadas, mas

não quebradas. Se o esforço for retirado enquanto se encontrar no domínio elástico, não ocorrerá

deformação plástica, o componente irá voltar à sua dimensão original. O declive desta reta no

gráfico é o módulo de elasticidade (E) do material. O módulo de elasticidade em conjunto com a

geometria da peça determina a sua rigidez. [9]

Na figura 15 é apresentada a curva tensão-deformação para um material dúctil, estando indicadas

as suas principais características.

Figura 14 – Curva Tensão-deformação [9]

A tensão de cedência encontra-se geralmente no topo do segmento linear que corresponde à zona

de deformação elástica da curva tensão-deformação. A deformação para além deste ponto leva à

rutura das ligações entre os átomos e estes começam a escorregar entre si, correspondendo ao

domínio plástico. Se a carga é retirada nesta fase de deformação, irá ocorrer algum retorno

elástico, e alguma deformação plástica irá manter-se. [9]

O aço que se pretende avaliar no caso de estudo é um aço DP (bifásico) devido às suas boas

propriedades de maleabilidade e soldabilidade decidiu-se que seria uma boa escolha para avançar

com o trabalho. Os aços DP são também dos AHSS mais comuns, e também por isso com mais

informação acessível acerca das suas propriedades mecânicas, com dados essenciais para

introduzir no programa.

Page 30: Pedro Alexandre Vilaça Moreira

17

2.9. Retorno elástico

O retorno elástico ocorre quando é aplicada uma tensão de conformação num material, mais

evidente quando trabalhado a frio, em que com a libertação da tensão o material recupera

parcialmente a sua forma original. Isto ocorre devido à recuperação elástica do material. A tensão

de cedência, a espessura do material, o tipo de ferramenta e a geometria do componente

influenciam o retorno elástico. Existem duas razões principais para esta ocorrência, a primeira tem

a ver com o deslocamento de moléculas no interior do material e a segunda tem a ver com a

tensão/deformação aplicada. Quando o material é conformado, a região interior da curva é

comprimida enquanto que a região exterior é esticada, levando a que a densidade molecular seja

maior no interior do que no exterior. Na zona exterior as forças de compressão são menores e por

isso o material tenta voltar à sua posição inicial. [18]

A aplicação de AHSS em componentes sujeitos a processos de conformação trouxe novos

problemas no que diz respeito ao retorno elástico. Estes apresentam um elevado fluxo de tensões

que resultam da elevada resistência do material e do seu encruamento, levando a maiores tensões

residuais no componente. Estes podem admitir uma redução da espessura da parede, pois

apresentam melhores propriedades mecânicas que podem satisfazer as especificações com uma

diminuição da massa do componente. Como são aços ainda pouco utilizados a informação

disponível para compreender de que forma compensar o retorno elástico mais elevado que os

aços convencionais, escasseia quando comparados. [6]

De forma idêntica, os HSS apresentam um retorno elástico superior aos aços macios para a

mesma deformação total, como se pode ver na figura 16.

Figura 15 - Curva tensão-deformação e retorno elástico [9]

Page 31: Pedro Alexandre Vilaça Moreira

18

Quando um aço macio e um HSS com o mesmo módulo de elasticidade são carregados até uma

mesma deformação (A), quando a carga é retirada, o HSS terá um retorno elástico maior, até (B).

Esta diferença deve-se ao facto de o HSS estar sujeito a maior carga para um mesmo valor de

deformação. [9]

Como já mencionado, a magnitude do retorno elástico é definido pelo processo e pela geometria

do componente. Na figura 17 observa-se o comportamento do retorno elástico numa chapa que é

dobrada. O “t” é a sua espessura, e o “α₁” é o ângulo de dobragem pretendido, até à posição

onde a chapa foi dobrada, “α2” é o angulo obtido após o retorno elástico, “r₁” o raio antes do

retorno elástico e “r₂” o raio depois do retorno elástico. [7]

Figura 16 – Retorno elástico na dobragem de chapa (Adaptado de [18])

Encontram-se normalmente 3 tipos de retorno elástico em componentes do tipo canal, com uma

geometria da figura 18, sendo estes a alteração angular, a curvatura da parede e a torção.

2.9.1. Alteração angular

A alteração angular, por vezes chamada de retorno elástico, é o ângulo que surge quando a

extremidade dobrada (do componente) se desvia do ângulo de dobragem da ferramenta. O ângulo

de retorno elástico é medido a partir do raio de concordância do punção, observando-se na figura

18.

Page 32: Pedro Alexandre Vilaça Moreira

19

Figura 17 – Alteração angular [19]

A alteração angula é causada pela diferença de tensões na direção da espessura da chapa quando

esta dobra sob o raio da matriz. Esta diferença de tensão cria um momento de flexão no raio de

dobragem após a libertação da matriz, resultando numa alteração angular. Para se eliminar ou

minimizar este problema deve tentar-se reduzir este momento de flexão ao longo da parede. [6]

2.9.2. Curvatura da parede

A curvatura da parede ocorre na zona lateral de um canal. A causa principal é a distribuição não

uniforme de tensões ao longo da espessura da parede. Estas tensões são geradas ao longo

processo de dobragem e subsequente retiro da carga. Durante esta sequência do processo, é

pouco provável que a deformação em ambos os lados da chapa seja idêntica. A resultante

curvatura pode trazer problemas de montagem do componente quando se requer tolerâncias

apertadas. Numa situação extrema a curvatura pode ser tão elevada que não permita a soldadura

do componente. A figura 19 ilustra com detalhe o que acontece quando um componente (chapa)

é sujeito a dobragem por um punção, retirando-se de seguida a carga. A deformação no lado A

muda de estar à tração (A1) para estar à compressão (A2), quando se retira a carga. O contrário

ocorre para a deformação do lado B, que passa de compressão (B1) para tração (B2). Quando se

retira a carga o lado A tende a alongar e o lado B a contrair devido à recuperação elástica causando

uma curvatura na parede. [6]

Page 33: Pedro Alexandre Vilaça Moreira

20

Figura 18 – Efeito de curvatura da parede [6] [19]

Esta diferença de recuperação elástica no lado A e lado B é a maior responsável da variação na

curvatura da parede. Quanto maior for a resistência do material, maior será a magnitude, maior a

diferença de retorno elástico entre os lados A e B e maior a amplitude da curvatura. A resistência

do material depende não só da tensão de cedência, mas também da capacidade de encruamento.

É uma das grandes diferenças entre o convencional HSS e o AHSS. A diferença entre o

encruamento dos HSS e dos AHSS explica como a relação entre a alteração angular e a curvatura

da parede podem alterar o desempenho do componente. A figura 20 mostra a curva real de tensão-

deformação (true stress – true strain) para dois aços. Os AHSS têm menor tensão de cedência

que os tradicionais HSS para o mesmo valor de tensão de rutura. [6]

Figura 19 – Influência do encruamento no retorno elástico [6]

Para os valores mais baixos de deformação, normalmente encontrado na alteração angular no raio

de concordância do punção, os AHSS estão submetidos a baixos valores de tensão e por isso

Page 34: Pedro Alexandre Vilaça Moreira

21

apresentam menor retorno elástico. A diferença nestes aços de igual valor de tensão de rutura

(mas diferente tensão de cedência) é apresentada na figura 21.

Figura 20 – Alteração angular menor para os AHSS [6]

A tendência é que haja um aumento da alteração angular para aços com tensões mais elevadas.

Pode observar-se que nesta situação os AHSS apresentam menor alteração angular que os HSS.

Na figura 22, os AHSS encontram-se agora sob tensões mais elevadas, aumentando as tensões

elásticas. Sendo assim a curvatura da parede é mais elevada para os AHSS.[6]

Figura 21 – Curvatura da parede maior para os AHSS [6]

Ainda assim, estes tipos de retorno elástico estão dependentes de muitos fatores, como a

geometria do componente, da ferramenta, dos parâmetros do processo, lubrificação e

propriedades dos materiais.

Page 35: Pedro Alexandre Vilaça Moreira

22

2.9.3. Torção

A torção ocorre com a rotação de duas ou mais secções transversais de forma diferente em volta

do seu eixo longitudinal. O deslocamento de torção desenvolve-se devido ao retorno elástico e

tensões residuais que tendem a fazer rodar um extremo do componente em relação a outro. Na

figura 23 mostra-se o problema de torção que pode ocorrer.

Figura 22 – Momentos torsores nos componentes [19]

A magnitude da torção num componente será determinada pela relação entre tensões em várias

direções e a rigidez do material na direção da torção. Uma fraca resistência à torção em

componentes esbeltos são a razão para haver uma tendência para estes torcerem. Este problema

aumenta com o aumento da relação entre o comprimento do componente e a sua largura. A

tendência para a torção pode ser ultrapassada, reduzindo-se o desequilíbrio provocado pelas

tensões residuais que provocam o momento torsor. Este tipo de desequilíbrios é mais comum em

componentes assimétricos e componentes em que existem mudanças abruptas da sua secção

transversal. Mesmo em componentes simétricos podem surgir problemas se os gradientes de

deformação não forem simétricos. Algumas das razões para isto acontecer são o posicionamento

incorreto, lubrificação desigual, desalinhamento das prensas ou polimento da matriz irregular. [6]

Na figura 24 pode ver-se o retorno elástico num componente em aço DP e em aço HSLA,

verificando-se que existe uma grande diferença entre ambos.

Figura 23 – Retorno elástico para um aço DP e um HSLA [20]

Page 36: Pedro Alexandre Vilaça Moreira

23

2.10. Comportamento do retorno elástico a quente

Numa série de experiências levadas a cabo por J. Yanagimoto e K. Oyamada da Universidade de

Tóquio, estes concluíram que no processo de conformação de um AHSS (540MPa,

0.08C-0.26Si-1.09Mn, HSS-1) a elevada temperatura havia uma redução da resistência do

material à deformação, assim como um retorno elástico inferior. O fenómeno verificou-se para

valores de temperatura superiores a 750K (≈477ºC).

No processo de retirada da carga da matriz, verificou-se que na zona do ângulo de dobragem, para

temperaturas superiores a 750K, ocorria uma mudança de direção, sendo esta contrária ao

retorno elástico, levando a uma redução do mesmo. [21] É possível observar-se na figura 25 este

comportamento.

Figura 24 – Temperaturas abaixo dos 750K (esquerda) Temperaturas acima dos 750K (direita)[21]

Observando os resultados, na figura 26 a curva de A a B indica o estágio em que se carrega o

provete e a curva de B a C o estágio em que se retira essa carga. A quantidade de retorno elástico

é obtida pela diferença de deformação entre B e C. [21]

Figura 25 – Curva de tensão deformação obtida a uma temperatura 773K [21]

Page 37: Pedro Alexandre Vilaça Moreira

24

Assim, a diminuição no retorno elástico observada após o teste de dobragem em “V”, que inclui

zonas com tensões compressivas e outras de tração pode ser explicado com o aumento de

temperatura na etapa de retirada de carga. O ângulo de dobragem na chapa torna-se ligeiramente

menor, que o da matriz, logo após o carregamento, levando a uma diminuição geral do retorno

elástico. [21]

Os tipos de retorno elástico aqui apresentados são mais especificamente direcionados para o

retorno elástico em dobragem de chapa, enquanto que no caso de estudo apresentado mais

adiante a conformação ocorre para uma geometria circular, não sendo possível aplicar diretamente

os mesmos princípios. Decidiu-se ainda assim abordar este tema, pois é extremamente relevante,

devido à dificuldade em encontrar bibliografia que abordasse uma situação mais próxima da que

se pretende simular.

Page 38: Pedro Alexandre Vilaça Moreira

25

3. PRODUÇÃO DE TUBO

Com o desenvolvimento do processo de laminagem na primeira metade do século XIX,

desencadeou-se também evolução nos processos de produção de tubo. Inicialmente, rolos de

chapa eram deformados até atingirem uma secção circular e depois unidos por um processo de

forjamento, o componente era levado a altas temperaturas e depois martelado para unir as duas

extremidades. No final do mesmo século diversos processos de produção de tubo sem costura

foram sendo desenvolvidos e cresceram de tal forma que quase levaram ao desaparecimento do

mercado dos tubos com costura. Este domínio do processo sem costura perdurou até à segunda

guerra mundial. Durante o período seguinte, devido ao desenvolvimento das técnicas de soldadura

levou a uma reviravolta, trazendo novamente uma propagação do processo com costura na

indústria. Atualmente dois terços da produção de tubo em aço são fabricados com costura. No

Anexo B pode consultar-se um gráfico que ilustra as gamas de tubos, em termos de diâmetro e

espessura da parede, que são produzidos com costura ou sem costura. O tubo com costura é

particularmente produzido para pequena espessura da parede e grandes diâmetros exteriores,

enquanto que o tubo sem costura para grandes espessuras da parede e diâmetro exterior

aproximadamente até 660 mm. [22]

Neste trabalho será tido em conta o processo de produção do tubo com costura com mais detalhe,

pois trata-se do método utilizado no caso particular dos tubos para a armação do serrote manual,

pela mesma razão mencionada acima, o facto de terem uma espessura de parede muito fina.

3.1. Tubo com costura

Com a evolução da tecnologia foi possível chegar-se ao ponto de se soldar em apenas uma

passagem dentro de um forno. O desenvolvimento deste conceito culminou, em 1931, no processo

de Fretz-Moon concebido pelo americano J. Moon e o seu colega alemão Fretz. Linhas de

soldadura com este processo ainda hoje se encontram em funcionamento para fabricar tubos com

diâmetros até aos 114 mm. Para além desta técnica a alta temperatura, muitos outros processos

foram desenvolvidos, como o concebido por E. Thomson em que os materiais podiam ser soldados

por via de eletricidade. Este conceito tem por base a descoberta por James P. Joule, em que a

passagem de corrente num material condutor aquece devido à sua resistência elétrica. [22]

Page 39: Pedro Alexandre Vilaça Moreira

26

Mais tarde vários processos com gás de proteção surgiram, maioritariamente para a produção de

tubo de aço inoxidável. A figura 30 mostra um resumo dos processos de soldadura existentes.

Figura 26 – Processos de soldadura no fabrico de tubo [22]

Os tubos com costura são fabricados com uma solda longitudinal ou em espiral (helicoidal). Como

se pode ver na figura 31.

O material inicial em qualquer dos casos é chapa laminada, que dependendo do processo,

dimensão e aplicação do tubo, pode ser aço laminado a quente ou a frio. As propriedades físicas

e o acabamento superficial é, em muitos casos, já parte do produto inicial a ser trabalhado. Caso

contrário, o componente pode ainda sofrer tratamento térmico e/ou acabamento superficial para

atingir os requisitos. [22]

Os melhores processos de produção de tubo com costura conhecidos são o de Fretz-Moon, o de

resistência elétrica a corrente contínua, o de corrente elétrica a baixa frequência e corrente elétrica

a alta frequência. [25]

Figura 27 – Solda longitudinal [23] e solda helicoidal [24]

Page 40: Pedro Alexandre Vilaça Moreira

27

3.1.1. Processo Fretz-Moon

Neste processo, com o nome dos seus inventores, a fita de aço é continuamente aquecida até

temperatura de soldadura numa linha de produção. O material vai sendo deformado por rolos até

atingir a forma circular e é então forçado um contra o outro e soldado, usando o princípio do

processo primordial de forjamento. Tubo de 40 a 114 mm de diâmetro pode ser fabricado com

este processo, com velocidades de soldadura desde 200 até 100 m/min respetivamente. [25]

Figura 28 – Processo de Fretz-Moon [22]

As bobinas de fita de aço usadas como matéria-prima são desenroladas a alta velocidade e passam

para um acumulador. Isto serve como depósito durante o processo de produção contínua,

permitindo que o fim de uma fita seja soldada à fita de aço da bobina seguinte. Esta fita contínua

é conduzida através de um forno onde é aquecida a alta temperatura. Na zona lateral são utilizados

aquecedores adjacentes que aumentam a temperatura das extremidades aproximadamente até

100 a 150 ºC mais elevada que no centro da fita de aço. Os rolos deformam a fita até se obter a

forma circular, que quando chegam a determinado ponto as extremidades são pressionadas entre

si, ocorrendo a sua soldadura. Por fim uma serra corta o tubo nos tamanhos definidos, criando

assim componentes individuais. [25]

Nos processos modernos de Fretz-Moon, no fim da linha, o tubo pode ser ainda conduzido para

outra linha aquecida em que será esticado ou reduzido o seu comprimento, controlando assim o

diâmetro, para atingir requisitos variados (diferentes diâmetros). Esta combinação tem a vantagem

de se utilizar a linha de Fretz-Moon para um diâmetro constante, reduzindo custos de troca de

rolos e afinação, conseguindo ainda assim uma gama de diâmetros com a mesma linha de

soldadura. [22]

Page 41: Pedro Alexandre Vilaça Moreira

28

3.1.2. Processo de corrente contínua

Os processos que operam com corrente contínua (Direct Current) foram desenvolvidos para a

soldadura longitudinal de tubo de pequenas dimensões, até 20 mm, com uma espessura da

parede de 0,5 a 2 mm.

As vantagens da soldadura por corrente contínua, em comparação com a de baixa e alta

frequência, deve-se ao bom acabamento final devido à passagem interior, deixando apenas uma

muito ligeira saliência. Esta vantagem é importante para tubos em que este pequeno reforço no

interior não é possível de se retirar, como no caso de tubos para permutadores de calor. [25]

A gama de aplicações deste processo é limitada pela potência elétrica que pode ser transmitida

pelos elétrodos de disco. As velocidades de soldadura vão desde 50 a 100 m/min. Os tubos

produzidos são depois estirados/reduzidos a frio, num processo em que a espessura do tubo é

ligeiramente aumentada, até cobrir a zona de solda, não mostrando praticamente nenhum vestígio

de passagem de solda. Por razões de tolerâncias, é utilizado aço laminado a frio como material

inicial. [25]

3.1.3. Processo a baixa frequência

Neste processo a soldadura é executada com corrente alternada, com frequências de 50 até 400

Hz. Um elétrodo composto por dois discos isolados de uma liga de cobre, serve não apenas como

fonte de potência, mas também como a ferramenta que dá a forma e elemento que gera a pressão

necessária para ocorrer a soldadura. Os elétrodos são os componentes essenciais desta

tecnologia, pois devem ser regularmente verificados devido ao seu desgaste. [22]

O material que fica a mais devido à soldadura, deve ser retirado, interiormente e exteriormente,

no fim da linha de produção, por aparadores. Na figura 33 pode ver-se este processo, inclusive os

aparadores (External and internal flash trimmer).

Page 42: Pedro Alexandre Vilaça Moreira

29

Figura 29 – Representação esquemática do processo a baixa frequência [22]

Considerando todos este fatores, este processo pode deixar o tubo com um bom nível de

acabamento. Serve para soldadura longitudinal, com tubo de diâmetro desde 10 a 114 mm e com

velocidades de soldadura até 90 m/min, dependendo da espessura da parede. [22]

3.1.4. Processo a alta frequência

Na sequência do desenvolvimento do processo de soldadura por resistência elétrica a baixa

frequência, em 1960 introduziu-se a possibilidade de alta frequência. Desde então esta tecnologia

atingiu uma grande aceitação no mercado. O processo consiste na aplicação de corrente alternada

a alta frequência, entre 200 e 500 kHz, com a formação do tubo e a fonte de potência a serem

desempenhados por unidades separadas. [25]

Mais uma vez, este método usa simultaneamente pressão e calor de forma a unir as duas

extremidades, sem a adição de material. A pressão é feita por rolos que vão gradualmente

aplicando força para ocorrer a soldadura. A alta frequência traz uma série de benefícios. Por

exemplo, o facto de se tratar de alta frequência surge um campo magnético no centro do condutor.

A resistência do condutor está no máximo, neste campo, fazendo com que o fluxo de eletrões siga

o caminho de menor resistência, sendo este o das extremidades a soldar. A corrente pode ser

aplicada no tubo por condução, ou por indução utilizando uma ou mais bobinas em sua volta.

Com este processo pode conseguir-se tubo estrutural ou tubo para condutas com diâmetros desde

20 a 609 mm e espessura de 0,5 a 16 mm. O material inicial vem em bobina de aço, é

Page 43: Pedro Alexandre Vilaça Moreira

30

desenrolado a alta velocidade e passa para um acumulador. O equipamento de soldadura funciona

para velocidades de 10 a 120 m/min. [22]

Figura 30 – Representação esquemática do processo de deformação por rolos [22]

O sistema de deformação por rolos é utilizado para diâmetros até 609 mm e consiste em 8 a 10

rolos em que a tira de chapa é gradualmente deformada até um tubo circular aberto, passível de

se observar na figura 34, do passo 1 ao 7. Os três passos seguintes (8, 9 e 10) guiam o tubo até

à mesa de soldadura (11). Os rolos devem estar devidamente dimensionados para permitirem a

obtenção do diâmetro final do tubo conforme o desejado. [25]

A produção de tubo com costura foi aqui abordada para se compreender o processo que está

subjacente à sua obtenção, no entanto, esta etapa do processo não será simulada no capítulo

seguinte, a situação que estará sujeita a análise será posterior a esta etapa. Ou seja, considera-se

o tubo circular preparado para ser conformado em tubo de secção elíptica. Outro fator importante

a ter em conta é a localização do cordão de soldadura. Dependendo da qualidade do mesmo, este

terá uma influência maior ou menor nas etapas seguintes de conformação que deve ser estudada,

no entanto, para as simulações presentes neste trabalho o tubo é considerado uniforme em toda

a sua extensão, não tendo em conta a importância da soldadura.

Page 44: Pedro Alexandre Vilaça Moreira

31

4. ESTUDO DA CONFORMAÇÃO DO TUBO NO SENTIDO TRANSVERSAL

4.1. Definição do problema

O que se pretende analisar neste caso de estudo é o comportamento de um tubo de secção circular

quando sujeito à conformação de uma matriz elíptica. Espera-se a obtenção de um tubo de secção

elíptica com determinadas dimensões. Com a simulação é possível prever certas situações que

poderá apontar um procedimento mais correto na eventualidade de um avanço a nível prático de

um projeto com estes parâmetros. Assim pretendem-se avaliar diferentes materiais, geometrias

da matriz, espessura do tubo, entre outros.

4.2. Cálculo do raio necessário para o tubo

Para ser possível realizar uma simulação computacional que apresente resultados do

comportamento do tubo para diferentes materiais, devem ser escolhidos valores de geometria e

dimensões da secção. Sendo assim, tomou-se como ponto de partida a geometria e dimensões

apresentadas na figura 35 por serem valores típicos para o arco das serras da Bahco.

Figura 31 – Dimensões da secção do tubo pretendida.

Aquilo que se pretende reproduzir neste caso de estudo é conformação do tubo de secção circular

para uma geometria elíptica e compreender todas as implicações que este processo traz. Para se

proceder é necessário obter o raio da circunferência do tubo antes da sua conformação, ou seja,

da sua secção circular. Para realizar o cálculo recorreu-se à utilização da equação 1, para

encontrar o valor do perímetro da elipse, com a seguinte aproximação:

𝑝 ≈ 𝜋 [3(𝑎 + 𝑏) − √(3𝑎 + 𝑏)(𝑎 + 3𝑏)]

Equação 1 – Aproximação para o cálculo do perímetro da elipse [26]

Page 45: Pedro Alexandre Vilaça Moreira

32

Em que 𝑎 é o maior raio e 𝑏 o menor raio da elipse. Sendo assim, 𝑎 = 12 𝑚𝑚 e 𝑏 = 8 𝑚𝑚

podendo-se proceder ao cálculo. Obtém-se um perímetro de valor 𝑝 ≈ 63,46 𝑚𝑚 .

𝑝 = 2𝑟 × 𝜋

Utilizando a conhecida expressão matemática para o cálculo do perímetro de uma circunferência,

equação 2, obtém-se o valor pretendido, 𝑟 = 10,1 𝑚𝑚.

Portanto, a circunferência exterior do tubo circular que será utilizada neste caso de estudo terá

um raio de 10,1 𝑚𝑚, com a espessura de 1 𝑚𝑚 no sentido do seu eixo, observável na figura

36.

Figura 32 – Dimensões da secção circular do tubo.

4.3. Modelação dos componentes

Recorrendo-se ao software de modelação SolidWorks, procedeu-se ao desenho dos componentes

necessários à simulação da conformação do tubo. Estes resumem-se essencialmente ao tubo

circular e às matrizes elípticas.

O tubo consiste na secção da figura 36, com uma extensão em comprimento de 100 mm, como

se pode ver na figura 37.

Figura 33 – Tubo circular com r=10,1 mm

Equação 2 – Expressão do perímetro de uma circunferência

Page 46: Pedro Alexandre Vilaça Moreira

33

Figura 34 – Matriz elíptica a=24 mm b=16 mm

A matriz tem uma geometria de revolução com as dimensões de meia elipse. As duas

geometricamente idênticas perfazem as dimensões de a=24 e b=16. Assim na figura 38 pode

ver-se um desenho da matriz com as dimensões relevantes e uma perspetiva dimétrica do

componente depois de modelado.

Realizando agora uma montagem dos três componentes, obtém-se a base sobre a qual se vai

trabalhar no software de simulação, ou seja, colocam-se já nas posições espaciais pretendidas

para depois serem efetuados os deslocamentos e aplicadas as restrições. Na figura 39 encontra-

se a disposição que estes têm.

Figura 35 – Conjunto matrizes elípticas e tubo.

O conjunto é exportado num tipo de ficheiro neutro aceite pelo software de simulação ANSYS,

neste caso o IGES (Initial Graphics Exchange Specification), usado para a troca de informação em

sistemas de CAD.

Page 47: Pedro Alexandre Vilaça Moreira

34

4.4. Simulação computacional

A simulação é realizada no software ANSYS R15.0 no módulo de análise estrutural estática. Este

tipo de projeto apresenta uma configuração como a presente na figura 40.

Figura 36 – Estrutura base da Análise estrutural estática

Inicialmente é definido o material para cada componente envolvido: o tubo, a matriz inferior e

superior. De seguida, são escolhidos os tipos de contacto que existem entre os componentes,

definem-se que superfícies estarão em contacto e o tipo de contacto entre estas: sem separação,

sem atrito, com atrito ou ligadas, entre outras possibilidades. Nesta fase, define-se a malha (Mesh)

que se pretende utilizar, assim como a procura e estudo de a otimizar para obter resultados mais

próximos da realidade. No seguinte ponto definem-se as condições da simulação, quer suportes

fixos, quer deslocamentos a realizar pelos componentes. Por último, na solução é possível obter

variados resultados, desde o deslocamento, deformação, tensão aplicada, obtendo assim tabelas

de dados essenciais para uma avaliação crítica dos resultados.

4.4.1. Especificação do material

Neste momento é selecionado o material que se pretende utilizar em cada componente. Como

não é relevante, por enquanto, avaliar a deformação nas matrizes elípticas estas são consideradas

rígidas, levando o software a assumir que não existe qualquer deformação nestes dois

componentes. O material utilizado no tubo é de extrema importância, pois é uma das variáveis

que se pretende estudar por comparação entre três materiais diferentes. Neste caso as escolhas

Page 48: Pedro Alexandre Vilaça Moreira

35

incidiram sobre um aço estrutural não-linear, um aço inoxidável não-linear e um AHSS DP600,

presentes na figura 41.

As propriedades do aço estrutural e do aço inoxidável faziam já parte da biblioteca de materiais do

ANSYS, enquanto que as propriedades do DP600 foram introduzidas manualmente na biblioteca.

Figura 37 – Materiais selecionados

Foi escolhida a propriedade de não linearidade para os materiais pois uma parte considerável da

deformação que se pretende analisar ocorre na zona de comportamento plástico. Estes fatores

não poderiam ser corretamente avaliados caso se considerassem materiais lineares. A escolha do

aço estrutural e do aço inoxidável deveu-se ao facto de serem materiais típicos, servindo de base

para serem comparados com o AHSS. O aço DP600 foi selecionado por apresentar boas

propriedades de formabilidade e soldabilidade, como já mencionado anteriormente. No Anexo C

encontram-se com detalhe as propriedades destes três materiais usados na simulação.

4.4.2. Definição dos contactos

O passo seguinte a tomar consiste na seleção do tipo de contactos que existem entre os

componentes. Na figura 42, as matrizes e o tubo são divididas em duas superfícies, duas metades

de cada componente. Esta situação em particular ocorre devido à forma como é armazenada e

organizada a informação no ficheiro IGES, sendo que poderia ser diferente noutro tipo de ficheiro,

por exemplo se fosse importada a geometria diretamente do ficheiro de base do SolidWorks.

Sendo assim, são selecionadas as duas superfícies do tubo como zona de “contact” e as duas

superfícies da matriz inferior como “target”. Procede-se da mesma forma para a matriz superior,

como se pode ver na figura 42.

Page 49: Pedro Alexandre Vilaça Moreira

36

Figura 38 - Seleção das superfícies de contacto

Depois de escolhidas as superfícies que sofrem contacto, é definido o tipo de contacto. Nesta fase

será estudada uma situação com um contacto “frictionless”, ou seja, sem considerar o atrito nos

contactos. Mais adiante será adicionada esta componente e apresentadas as consequências que

daí advêm.

4.4.3. Criação da malha

A criação da malha, consiste na divisão de um sólido/superfície em elementos finitos criando uma

malha de elementos, que serão depois sujeitos à análise que se pretende efetuar, ou seja, aos

cálculos que o software realiza para obter resultados de tensão e deformação para um certo

material. É muito importante uma correta escolha da malha, pois esta afeta de forma muito

relevante os resultados que se obtêm no final da simulação, podendo encontrar-se próximos ou

muito afastados da realidade que se pretende prever.

Utilizando a geração de malha que é apresentada por defeito no programa, podemos obter um

aspeto e organização dos elementos como o da figura 43.

Page 50: Pedro Alexandre Vilaça Moreira

37

Figura 39 – Malha obtida por defeito

Esta malha tem um total de 912 elementos e 4214 nós. De salientar, que para a geração da

malha nas matrizes, o programa só considera as superfícies de contacto destas, pelo facto de

serem componentes considerados rígidos. No caso do tubo, é considerado o sólido integralmente.

Para se definir uma boa estratégia e avaliação da malha é necessário considerar três parâmetros

gerais: a precisão, a eficiência e a facilidade de geração de malha.

A precisão está relacionada com a qualidade desejável da malha no que diz respeito à forma dos

elementos, por exemplo, a máxima assimetria admissível. A eficiência tem a ver com o número

de elementos que se pretende, menos elementos para uma resolução do problema mais simplista

ou mais elementos para obtenção de mais detalhe. A facilidade de geração de malha depende do

tempo que se está disposto a despender, assim como a capacidade de processamento do

computador. É necessário criar um compromisso entre estes fatores desde que seja possível a

obtenção de resultados aceitáveis, sem comprometer a análise que se está a executar.

4.4.3.1. Parâmetros de avaliação da malha

Tendo em conta o guia de ajuda do ANSYS (Release 15.0 - © SAS IP, Inc.) pode ter-se em conta

diversos parâmetros de avaliação, que estando dentro de certos intervalos, são considerados

resultados melhores ou piores em termos de qualidade da malha.

Para a escolha da malha, serão tidos em conta dos seguintes parâmetros: qualidade do elemento

(element quality), assimetria (skewness) e qualidade ortogonal (orthogonal quality).

Page 51: Pedro Alexandre Vilaça Moreira

38

Figura 40 - Triângulos e quadriláteros ideais e oblíquos.

A opção de qualidade do elemento fornece uma métrica de qualidade de composição que varia

entre 0 e 1. Esta métrica é baseada na razão entre a área e a raiz do somatório do quadrado dos

comprimentos da aresta para elementos a duas dimensões, observável na equação 3.

𝑄𝑢𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎𝑑𝑒 = 𝐶 (á𝑟𝑒𝑎

√(∑ 𝑐𝑜𝑚𝑝𝑟𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 𝑑𝑎 𝑎𝑟𝑒𝑠𝑡𝑎)2)

Da mesma forma se pode escrever a equação para elementos a três dimensões, sendo esta a

razão entre o volume e a raiz do somatório do quadrado dos comprimentos da aresta, ao cubo,

na equação 4.

𝑄𝑢𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎𝑑𝑒 = 𝐶 (𝑣𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒

√(∑(𝑐𝑜𝑚𝑝𝑟𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 𝑑𝑎 𝑎𝑟𝑒𝑠𝑡𝑎)2)3)

De salientar que em ambas as situações, se multiplica por uma constante C que depende do tipo

de elemento, passível de se consultar no Anexo D.

Um valor de 1 indica um cubo ou quadrado perfeito, enquanto que um valor de 0 indica que o

elemento tem um volume nulo ou negativo.

O parâmetro de assimetria é dos primários para a verificação da qualidade da malha. A

assimetria determina o quão perto do ideal se encontra (por exemplo: equilateral ou equiangular)

uma face ou elemento, como se pode observar na figura 44.

De acordo com a definição de assimetria, um valor 0 indica um elemento equilateral (melhor) e

um valor 1 indica um elemento completamente degenerado (pior). Elementos degenerados são

Equação 3 – Qualidade para elementos 2D

Equação 4 – Qualidade para elementos 3D

Page 52: Pedro Alexandre Vilaça Moreira

39

caracterizados por nós que são praticamente co planares (co lineares em 2D). Na tabela 1 pode

ver-se uma lista com a gama de valores de assimetria e a sua correspondente qualidade relativa.

Tabela 1 – Valores de assimetria e correspondente qualidade

Assimetria Qualidade do elemento 1 Degenerado

0,9 – <1 Mau 0,75 – 0,9 Fraco 0,5 – 0,75 Aceitável 0,25 – 0,5 Bom >0 – 0,25 Excelente

0 Equilateral

Elementos extremamente oblíquos são inaceitáveis porque as equações a serem resolvidas pelo

programa assumem que os elementos são relativamente equilaterais/equiangulares, levando a

resultados com bastante erro.

A qualidade ortogonal é apresentada no intervalo de 0 a 1, onde o valor de 0 é o pior e o de 1

o melhor. A qualidade ortogonal é calculada usando o vetor normal da face, o vetor do centroide

do elemento de cada um dos elementos adjacentes e o vetor do centroide do elemento para cada

uma das faces. [27]

4.4.3.2. Definição da tipologia do elemento

Aplicando agora duas tipologias do elemento, tetraedro e hexaedro, separadamente como

elemento base da malha, pode observar-se a qualidade da mesma para os três parâmetros

mencionados. Estas estatísticas apresentam na tabela 2 o valor mínimo, o máximo e a média para

o número de elementos criados. O tamanho de elemento “sizing” foi definido como 2 mm para

ambas as tipologias.

Tabela 2 – Parâmetros de qualidade para tetraedros e hexaedros

Parâmetros de qualidade

Tetraedros Hexaedros

Mínimo Máximo Média Mínimo Máximo Média Qualidade do Elemento 0,0444 0,9971 0,6369 0,5365 0,9979 0,7883

Assimetria 0,000034 0,9950 0,4645 0,001458 0,7316 0,1862 Qualidade Ortogonal 0,1593 0,9999 0,6744 0,5511 0,9999 0,9394

Page 53: Pedro Alexandre Vilaça Moreira

40

Acrescenta-se ainda que o número de elementos criados e número de nós para a tipologia de

tetraedros foi de 5815 e 12137 respetivamente. E de 6250 elementos e 31556 nós para a

tipologia de hexaedros. Pela tabela 2 pode verificar-se que, para a geometria deste conjunto em

particular, a malha formada por elementos hexaedros apresenta resultados de qualidade de malha

superiores aos tetraedros, para o valor máximo, mínimo e médio nos três parâmetros de avaliação,

exceto para o valor mínimo de assimetria, não sendo no entanto um valor significativo. [27]

4.4.3.3. Mapear a área/volume de malha

Existe ainda uma propriedade de organização da malha que pode ser benéfica para a qualidade

da simulação, mapear a área/volume de malha (Mapped face meshing). Para uma área ou volume

ser possível de mapear, é necessário que este seja “regular”, ou seja, deve estar dentro de certos

critérios, nomeadamente geométricos. A nível visual é algo como se pode ver na figura 45, uma

reorganização com a orientação da forma do componente.

O programa permite avaliar quais os sólidos que cumprem estes critérios, sendo que este conjunto

se mostrou apropriado. Assim, procedeu-se à mesma avaliação dos parâmetros de qualidade

realizada anteriormente, mantendo todas as outras variáveis inalteradas. Utilizou-se então um

tamanho de elemento de 2mm e o tipo de elemento hexaedro, obtiveram-se os resultados da

tabela 3.

Tabela 3 - Parâmetros de qualidade para hexaedros mapeados

Parâmetros de

qualidade

Hexaedros

Antes Depois

Mínimo Máximo Média Mínimo Máximo Média

Qualidade do Elemento 0,5365 0,9979 0,7883 0,4026 0,7836 0,7287

Assimetria 0,001458 0,7316 0,1862 1,15E-07 0,07 0,0531

Qualidade Ortogonal 0,5511 0,9999 0,9394 0,9944 0,999(9) 0,9967

Figura 41 - Aplicação do Mapped face meshing

Page 54: Pedro Alexandre Vilaça Moreira

41

Comparando os valores de antes e depois do mapeamento da malha, verifica-se um melhoramento

generalizado da qualidade da malha, considerando os mesmos parâmetros de avaliação.

4.4.3.4. Definição do tamanho de elemento

Agora que se definiu o tipo de elemento (hexaedro) e se aplicou a opção de mapeamento de malha,

é necessário escolher o tamanho do elemento a utilizar. Procurou-se perceber de que forma evolui

a qualidade da malha para diferentes tamanhos de elemento, na tabela 4 são apenas

apresentados os dois valores mais próximos da qualidade que se pretende. No entanto, no Anexo

E podem consultar-se os resultados de qualidade para todos os tamanhos de elemento testados.

Tabela 4 – Parâmetros de qualidade para “Sizing” de 1 e 2 mm

Parâmetros de

qualidade

Tamanho do elemento – “Sizing”

2 mm 1 mm

Mínimo Máximo Média Mínimo Máximo Média

Qualidade do Elemento 0,4026 0,7836 0,7288 0,4928 0,99992 0,8769

Assimetria 1,15E-07 0,07008 0,0532 1,51E-06 0,0395 0,0280

Qualidade Ortogonal 0,9944 0,999(9) 0,9967 0,9982 0,99(9) 0,9994

Como se pode constatar por estes resultados, existe um melhoramento da qualidade com a

diminuição do tamanho de elemento dos 2 mm para 1 mm. No entanto, o tempo de

processamento da simulação aumenta consideravelmente para o tamanho de 1 mm. Considera-

se então que os valores de qualidade para o “sizing” de 2 mm são perfeitamente aceitáveis,

encontrando-se dentro da qualidade relativa de “Excelente”, segundo o manual do ANSYS v15,

nos três parâmetros utilizados. Esta será o tipo de malha utilizada nas simulações presentes neste

trabalho, com um total de 14430 nós e 2590 elementos.

4.4.4. Condições da análise

A primeira simulação realizada tem em vista mostrar as tensões envolvidas na conformação do

tubo para os diferentes materiais, assim como a relevância de se considerar o retorno elástico.

Page 55: Pedro Alexandre Vilaça Moreira

42

Desta forma a simulação consiste na conformação do tubo circular por deslocamento das meias

matrizes na sua direção. Inicialmente uma aproximação até à máxima deformação do tubo,

seguida de uma inversão do sentido do deslocamento, como ilustrado na figura 46.

Ambas as matrizes percorrem um deslocamento de igual valor (2,35 mm), o intervalo entre estas

na posição inicial era de 5 mm, deixando uma folga de 0,3 mm no final do deslocamento. Esta

folga não é importante para a primeira simulação, mas é essencial para a simulação seguinte.

Como será explicado mais adiante a folga de, pelo menos 0,3 mm, é necessária para que a

simulação se proceda sem ocorrer rutura do material do componente, levando assim a que esta

seja abortada. Por isso, mantém-se o mesmo valor de folga para se terem as mesmas condições.

A outra extremidade do tubo (oposta à que se vê na figura 46) é considerada fixa com um suporte

(encastrada), não permitindo o deslocamento do tubo. O material usado foi o aço avançado

DP600, sendo de seguida repetida a experiência para o aço estrutural não linear e aço inoxidável

não linear. A simulação é realizada com deslocamento das matrizes em função do tempo. O tempo

para esta experiência é de 9 segundos.

4.4.5. Resultados

O resultado final que se obtém, a nível visual, é apresentado na figura 47, com uma legenda do

lado esquerdo para valores de deformação.

Figura 42 - Posição inicial e posição de máximo deslocamento da matriz

Page 56: Pedro Alexandre Vilaça Moreira

43

Figura 43 – Deformação total final no tubo (mm)

A figura 47 apresenta a deformação final do tubo, depois da recuperação elástica. Para se

interpretar estes dados devidamente, é necessário compreender a sua grandeza no problema, e

repete-se a experiência para os outros dois materiais.

Observando os resultados, pode perceber-se quais as tensões necessárias para a deformação dos

três materiais, no gráfico 1.

Gráfico 1 – Tensão (MPa) em função do tempo (s)

Como se pode verificar, são necessárias tensões mais elevadas para aplicar a deformação

pretendida ao AHSS, DP600, na ordem dos 600 MPa. A carga começa a ser exercida a partir do

instante 1,6 segundos. O valor máximo no gráfico é de 633,66 MPa para o DP600, no instante 5

segundos, após o qual é retirada gradualmente a carga, à mesma velocidade que foi aplicada. O

valor máximo é de 331,24 MPa para o aço estrutural e de 309,18 MPa para o aço inoxidável. As

tabelas de valores dos gráficos apresentados, encontram-se para consulta no Anexo F.

-100

0

100

200

300

400

500

600

700

0 2 4 6 8 10

Ten

são

(M

Pa)

Tempo (s)DP600 Aço Estrutural NL Aço Inoxidável NL

Page 57: Pedro Alexandre Vilaça Moreira

44

Observando agora a deformação no tubo em função do tempo, é possível verificar o retorno elástico

quando se retira a carga provocada pelo deslocamento da matriz, no gráfico 2.

Gráfico 2 – Deformação direcional em Y (mm) em função do tempo (s)

A deformação máxima na direção Y ocorre para o aço estrutural NL e aço inoxidável NL, para

2,4832 mm e 2,4824 mm respetivamente. Enquanto que o DP600 apresenta uma deformação

máxima de 2,3659 mm. Como referido para o gráfico das tensões, a deformação máxima ocorre

imediatamente antes de se retirar a carga, no instante 5 segundos.

O retorno elástico dos materiais é visível no gráfico a partir dos 5 segundos. É evidente que, pelos

resultados, o material que apresenta maior retorno elástico é o DP600, seguindo-se o aço

estrutural e por fim o aço inoxidável. Assim, elaborou-se a tabela 5, que resume estes resultados.

Tabela 5 – Retorno elástico nos diferentes materiais

Material Deformação

máxima (mm) Deformação final (mm)

Retorno Elástico (%)

DP600 2,3659 1,8164 23,2%

Aço estrutural 2,4832 2,1558 13,2%

Aço inoxidável 2,4824 2,1902 11,8%

Confirma-se um retorno elástico substancialmente mais elevado para este AHSS. No entanto, o

processo aqui simulado não traduz ainda o processo de fabrico de conformação do tubo circular

-0,5

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

0 2 4 6 8 10Def

orm

ação

dir

ecio

nal

em

Y (

mm

)

Tempo (s)DP600 Aço estrutural NL Aço Inoxidável NL

Page 58: Pedro Alexandre Vilaça Moreira

45

em secção elíptica, mas apenas a primeira etapa do processo em que as matrizes conformam

uma secção finita do tubo. É necessária, de seguida, aplicar a segunda etapa do processo em que

ocorre deslocamento do tubo entre as matrizes, conformando um certo comprimento de tubo.

Esta situação é estudada no capítulo seguinte. Pode consultar-se informação com mais detalhe no

Anexo G, tendo sido elaborado um tutorial com os passos do primeiro caso de estudo.

Page 59: Pedro Alexandre Vilaça Moreira

46

5. ESTUDO DA CONFORMAÇÃO DO TUBO NO SENTIDO LONGITUDINAL

5.1. Definição do problema

Considerando agora a mesma situação a simular, mais próxima do processo real de conformação

por ser mais completa, tem-se o seguinte: O mesmo deslocamento das meias matrizes, seguido

de um deslocamento do tubo entre estas, aproximando a simulação de um processo de

conformação entre rolos. Para melhor compreender este processo é essencial compreender de

que forma é afetado por certas variáveis como o coeficiente de atrito nos contactos. Neste caso

modificado mantêm-se todas as outras condições anteriores, desde o conjunto de componentes,

os seus componentes, até à malha utilizada, exceto a segunda parte das condições de análise.

5.2. Condições de análise

Tal como no primeiro caso de estudo, nesta simulação as meias matrizes têm um deslocamento

de 2,35 mm cada uma. Como mencionado anteriormente, a folga final entre estas é de 0,3 mm.

Este detalhe é importante para o sucesso da simulação, pois se a distância fosse justa, com o

subsequente deslocamento do tubo ocorria rutura do material e a simulação abortava de imediato.

Assim, com uma folga, o material do tubo tem maior margem para se deformar sem romper.

Outro fator que ajuda, é o de diminuir a velocidade de aproximação das matrizes, aumentando a

extensão do tubo, havendo uma deformação menos acentuada de início.

Por fim, adiciona-se neste caso de estudo modificado o deslocamento do tubo, tendo uma

dimensão de 100 mm de comprimento. Não é considerado o atrito nos contactos, ou seja,

selecionou-se o tipo de contacto “frictionless”. Na figura 48 pode perceber-se o que se pretende.

Page 60: Pedro Alexandre Vilaça Moreira

47

Figura 44 - Ilustração dos deslocamentos existentes

Como na primeira experiência, o material usado foi o aço avançado DP600, sendo de seguida

repetida a experiência para o aço estrutural não linear e aço inoxidável não linear. A simulação é

realizada com deslocamento das matrizes e do tubo em função do tempo. O tempo para esta

experiência é de 9 segundos.

5.3. Resultados

No gráfico 3 pode ver-se o resultado da conformação do tubo para o material DP600. A experiência

é repetida para o aço estrutural NL e aço inoxidável NL.

Gráfico 3 – Tensão (MPa) em função do tempo (s) ao longo do tubo

0

100

200

300

400

500

600

700

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Ten

são

(M

Pa)

Tempo (s)

DP600 Aço estrutural NL Aço inoxidável NL

Page 61: Pedro Alexandre Vilaça Moreira

48

Pode observar-se que a gama de tensões necessárias para o segundo caso de estudo apresenta

valores muito próximos do caso de estudo inicial. Para melhor interpretar estes resultados

consideram-se os valores de tensão máxima, no instante de 5 segundos, do caso de estudo

original, e comparam-se com a média de valores de tensão necessária ao longo do tubo, do

segundo caso de estudo.

Tabela 6 – Tensão no tubo do primeiro caso de estudo e do segundo caso de estudo

Material Tensão (MPa)

Primeiro estudo

Tensão (MPa)

Segundo estudo

t= 5 s t= [4,9] s (média)

DP600 633,66 624

Aço estrutural 331,24 331,14

Aço inoxidável 309,18 311,86

Pode verificar-se que a tensão máxima no caso de estudo é ligeiramente mais elevada que a média

da tensão aplicada no segundo caso de estudo. Esta comparação serve apenas para entender

quão diferentes são os valores de tensão necessários para um caso e para o outro, não tendo

interesse para tirar conclusões porque os processos são distintos. As tabelas de valores dos

gráficos apresentados, encontram-se para consulta no Anexo F.

Olhando agora para o gráfico 4, verifica-se a deformação final ao longo do tubo na direção Y.

Gráfico 4 - Deformação direcional em Y (mm) em função do tempo (s)

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

3,5

4,0

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

De

form

ação

dir

eci

on

al e

m Y

(m

m)

Tempo (s)DP600 Aço estrutural NL Aço inoxidável NL

Page 62: Pedro Alexandre Vilaça Moreira

49

Figura 45 – Sobreposição da secção pretendida (a tracejado) à secção obtida

Com estes dados não se pode verificar o retorno elástico pelo facto de serem resultados da

deformação final no tubo, provocada pela sua passagem na matriz. Ou seja, não se pode ver no

mesmo instante a evolução do retorno elástico após passagem na matriz. Até ao instante de 4

segundos verifica-se uma maior deformação que posteriormente. Estes valores não serão

considerados porque resultam da aproximação da matriz e deslocamento do tubo inicial, que

tendem a estabilizar após os 4 segundos.

No entanto, verifica-se algo importante. A deformação no tubo é sempre mais elevada que aquela

que a matriz pretende obter. Devido ao processo a que está sujeita, neste segundo caso de estudo,

a secção elíptica do tubo acaba por sofrer mais deformação e não se verifica, de forma evidente,

um retorno elástico como no caso de estudo inicial. A figura 49 mostra o resultado da forma final

da secção do tubo em termos visuais no instante de 7 segundos para o aço DP600, momento no

qual a curva apresenta já resultados que se aproximam de um valor constante.

Estes dados da redução do raio menor da secção da elipse podem ser verificados quando se retira

a geometria final obtida num instante da simulação e se compara por sobreposição à geometria

pretendida, utilizando edição de imagem e mantendo o rácio de altura e largura das imagens para

não ocorrer distorção. Torna-se percetível por observação que existe uma diferença considerável

na secção que se obteve e aquela que era pretendida. O facto de haver um deslocamento

Page 63: Pedro Alexandre Vilaça Moreira

50

“forçado” do tubo na matriz, induz uma deformação extra. A imagem da figura 49 serve apenas

para visualização do problema, não servindo para retirar dados quantitativos.

Ao avaliar os dados do gráfico 4 e considerando apenas os valores a partir dos 4 segundos, a

deformação máxima na direção Y apresenta uma média de 2,53 mm, quando o deslocamento

imposto é de 2,35 mm.

Os valores até aos 4 segundos são desprezados porque se encontram num intervalo em que ainda

não se encontram nas condições de análise pretendidas, levando a resultados atípicos. Para as

simulações seguintes será apenas considerado o AHSS DP600, pois é aquele que tem mais

interesse no desenvolvimento deste trabalho.

5.4. Condições de atrito

Nesta altura realiza-se para o segundo caso de estudo, a introdução de condições de atrito para

valores típicos de contacto aço-aço para superfícies lubrificadas. Observando a tabela 7 verifica-se

o intervalo de valores para as diferentes situações.

Tabela 7 – Coeficiente de atrito aço-aço [28]

Coeficiente de atrito

Seco Lubrificado

Estático Dinâmico Estático Dinâmico

0,78 0,42 0,05 – 0,11 0,029 – 0,12

Foram escolhidos os seguintes valores para o coeficiente de atrito: 0,03 ; 0,04 ; 0,05 ; 0,1 . E

ainda feita a comparação para o caso em que não se considera atrito.

O gráfico 5 mostra a tensão (MPa) ao longo do deslocamento do tubo para as 5 condições de

atrito selecionadas.

Page 64: Pedro Alexandre Vilaça Moreira

51

Gráfico 5 – Tensão (MPa) em função do tempo (s) com atrito

Como se pode observar, a tensão é menor para os valores de 0,03 e 0,04 de coeficiente de atrito,

com valores idênticos, dada a proximidade dos coeficientes. Enquanto que para os coeficientes de

atrito de 0,05 ; 0,1 e sem atrito (coeficiente=0) estas são mais elevadas e os seus valores

apresentam um trajeto aproximado.

Observando estes valores, seria de esperar que no caso em que não existe atrito, os valores de

tensão fossem mais baixos que os de 0,03 , pois existe uma tendência para a tensão aumentar

para valores de atrito mais elevados. No entanto, não foi isso que se verificou.

No gráfico 6 pode ver-se para as mesmas situações de atrito nos contactos, a sua deformação

(mm) ao longo do tempo (s).

550

560

570

580

590

600

610

620

630

640

650

0 2 4 6 8 10

Ten

são

(M

Pa)

Tempo (s)

Sem atrito 0,03 0,04 0,05 0,1

Page 65: Pedro Alexandre Vilaça Moreira

52

Gráfico 6 – Deformação (mm) em função do tempo (s) com atrito

Considerando os valores do intervalo de tempo de [4,9] (s), verifica-se que as deformações mais

elevadas ocorrem para o valor de 0,05. Seguindo-se o caso sem atrito. Por fim surgem, com

valores bastante próximos, os restantes três casos.

É de referir que o caso de atrito mais elevado não apresentou os valores mais elevados de

deformação. Aquele que sofreu maior deformação foi o de 0,05.

Com estes resultados compreende-se que o atrito é realmente um fator a ter em conta, pois

apresenta variações relevantes para o resultado final esperado, no entanto, para situações em que

existe lubrificação controlada e adequada, o atrito terá uma influência mas deverá ser expectável.

5.5. Diferentes espessuras da parede do tubo

Agora procede-se à simulação, nas mesmas condições, variando apenas a espessura do tubo e

não considerando o atrito (Frictionless). Reduziu-se a espessura em 0,1 mm até aos 0,7 mm de

espessura do tubo, perfazendo novas 3 simulações para verificar de que forma se comporta o

componente. No gráfico 7 apresentam-se os resultados da tensão necessária para conformar o

tubo para diferentes espessuras.

2,30

2,40

2,50

2,60

2,70

2,80

2,90

3,00

3,10

3,20

3,30

3,40

0 2 4 6 8 10

Def

orm

ação

dir

ecio

nal

em

Y (

mm

)

Tempo (s)

Sem atrito 0,03 0,04 0,05 0,1

Page 66: Pedro Alexandre Vilaça Moreira

53

Gráfico 7 – Tensão (MPa) em função do tempo (s) para diferentes espessuras

O tubo que apresentou tensões mais elevadas para a sua conformação foi o de 0,9 mm. Seguindo-

se o de 1 mm de espessura, o de 0,8 mm e por fim o de 0,7 mm. Verifica-se que à medida que

se diminui a espessura, as tensões necessárias diminuem ligeiramente para o tubo de 0,8 mm e

0,7 mm. O mesmo não ocorreu para o de 0,9 mm que teve um aumento face ao de 1 mm.

No gráfico 8, vê-se para a mesma simulação a deformação na direção Y.

Gráfico 8 – Deformação direcional em Y (mm) em função do tempo (s) para diferentes espessuras

0

100

200

300

400

500

600

700

800

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Ten

são

(M

Pa)

Tempo (s)

1 mm 0,9 mm 0,8 mm 0,7 mm

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Def

orm

ação

dir

ecio

nal

em

Y (

mm

)

Tempo (s)

1mm 0,9 mm 0,8 mm 0,7 mm

Page 67: Pedro Alexandre Vilaça Moreira

54

Como nos casos anteriores consideram-se os valores a partir dos 4 segundos. Pode verificar-se

que existe uma diminuição de deformação provocada no tubo com a diminuição da sua espessura.

A média de tensões para cada uma das espessuras, assim como a média de deformação na

direção Y, pode ser consultada na tabela 8.

Tabela 8 – Tensão e deformação para diferentes espessuras

Espessura Tensão (MPa)

t= [4,9] s (média)

Deformação (mm)

t= [4,9] s (média)

1 mm 623,50 2,53

0,9 mm 671,01 2,48

0,8 mm 598,45 2,38

0,7 mm 585,50 2,36

Observando os valores de deformação final média na tabela 8 pode ver-se uma tendência para a

diminuição da deformação causada, com a diminuição da espessura.

Estes dados indicam que haverá margem para a possibilidade de diminuição da espessura do

tubo, caso seja interessante fazê-lo por questões de ergonomia ou maior facilidade em atingir as

especificações de secção elíptica ao longo do tubo, desde que no processo de dobragem

subsequente esta diminuição seja benéfica ou não introduza dificuldades. Por último, esta redução

de espessura só poderá ser validada quando se obtiver o arco final e possa ser efetuado um estudo

sobre o seu comportamento em relação a todas as solicitações que estará sujeito quando em

funcionamento. Tanto o processo de dobragem como o de estudo de solicitações no arco não

fazem parte dos objetivos deste trabalho.

5.6. Solução alternativa

Para resolver problemas como a deformação excessiva do tubo que resultou do segundo caso de

estudo podem tomar-se algumas medidas. Aqui pretende-se apenas deixar algumas dicas sobre

possíveis direções futuras na continuidade deste trabalho, não sendo desenvolvidas com mais

detalhe outras soluções.

Page 68: Pedro Alexandre Vilaça Moreira

55

Para responder às dificuldades em se atingir as especificações da geometria da secção pretendida

podem ser alterados alguns parâmetros do processo.

Um desses parâmetros é a folga deixada entre as duas meias matrizes, aquando do deslocamento

do tubo. Na figura 50 pode ver-se o resultado final da deformação final de uma secção do tubo

para uma folga de 0,5 mm, ou seja um deslocamento de cada meia matriz de 2,25 mm.

Pode observar-se que foi corrigido o problema em relação à deformação na direção Y do caso de

estudo, mas foi introduzida uma deformação não suficiente na direção X que poderá não satisfazer

as especificações da geometria da secção.

Uma possível solução para este problema consiste em criar um compromisso entre a deformação

nas duas direções, por exemplo para uma folga entre os 0,3 e 0,5 mm, que garanta um intervalo

de dimensões admissível.

Outra hipótese que pode ser estuda é a alteração da geometria da matriz de tal forma que consiga

cumprir a geometria pretendida.

A deformação do tubo ao longo de diversos estágios, como dois ou mais conjuntos de matrizes,

levando a uma deformação progressiva mais suave pode ser uma solução com sucesso, pois o

processo ocorre de forma gradual.

Como observado no subcapítulo anterior, a diminuição da espessura apresenta também uma

diminuição da deformação final menor no tubo, podendo contribuir para que se atinjam as

especificações do produto.

Figura 46 – Folga de 0,5 mm entre as meias matrizes

Page 69: Pedro Alexandre Vilaça Moreira

56

6. CONCLUSÕES

Como resultado deste trabalho podem tirar-se algumas conclusões. Em primeiro lugar, o estudo

realizado no capítulo dois permitiu obter conhecimento sobre as características mais importantes

dos AHSS, assim como dos processos de fabrico de tubo. Como uma parte considerável do

trabalho assentou na simulação numérica, foi possível aprender e aprofundar o conhecimento no

programa ANSYS no módulo de Mechanical APDL (ANSYS Parametric Design Language).

No que aos resultados dos casos de estudo diz respeito, conseguiu-se no primeiro compreender a

relevância do retorno elástico nos aços. O retorno elástico mostrou-se bastante mais evidente, e

por isso relevante, no caso do AHSS DP600, em comparação com o aço estrutural não linear e o

aço inoxidável não linear. Observou-se, como era esperado, um valor de tensões necessárias à

sua conformação superior para o DP600.

No segundo caso de estudo, em que foi introduzido o deslocamento do tubo entre a matriz, o

retorno elástico revelou não ser tão relevante como no caso de estudo inicial. Pode-se concluir que

esta diferença de comportamento deve-se à natureza do próprio processo em que o tubo é

obrigado a deslocar-se. A deformação provocada a cada instante no tubo influencia o resultado

final da deformação na secção imediatamente anterior. No caso estudo inicial foi apenas

deformada uma porção mínima do comprimento do tubo, levando a que a restante extensão

contribuísse para a sua recuperação elástica. Não ocorrendo o mesmo no segundo caso de estudo

em que foi deformada toda a extensão do tubo.

Quando se considerou o atrito para valores típicos de contactos com lubrificação observou-se que

existe uma tendência para maiores tensões e deformações para coeficientes de atrito mais altos.

Considerando diferentes espessuras da parede do tubo, observou-se uma tendência para ocorrer

menor deformação na direção Y para espessuras cada vez menores. Para menores espessuras

existe também uma tendência para a diminuição da tensão necessária para conformar o tubo.

Por fim, conclui-se que os AHSS têm um grande potencial no que diz respeito a novas aplicações

devido essencialmente às suas propriedades mecânicas, sendo relevante e interessante o estudo

do seu comportamento em variados processos de fabrico, na procura de novas soluções que têm

em vista a resolução de problemas de ergonomia, segurança e impacto ambiental.

Page 70: Pedro Alexandre Vilaça Moreira

57

6.1. Trabalhos futuros

Os resultados obtidos neste trabalho respondem a algumas questões relevantes, no entanto existe

possibilidade de se prosseguir ou otimizar este estudo. Existem diversos pontos que têm interesse

para a melhor compreensão das implicações deste processo.

Um estudo que seria interessante é a dobragem de chapa necessária para se soldar o tubo e obter

o perfil circular inicial do tubo. O estudo do retorno elástico nesse processo seria importante de se

quantificar.

Alguns parâmetros do processo que devem ser estudados são a influência da velocidade de

conformação do tubo, quer a velocidade de aproximação da matriz, quer a velocidade de

deslocamento do tubo. Outro parâmetro que podia ser considerado é a influência da temperatura,

por exemplo a tentar simular uma conformação a quente.

Pode também ser considerada e estudada de que forma se pode alterar a geometria da matriz

para se conseguir obter a secção pretendida.

O processo pode ainda ser alterado para que a conformação do tubo ocorra em vários níveis, ou

seja, em vez da conformação ser feita apenas por uma passagem entre duas meias matrizes, seja

feita em vários estágios, por exemplo entre duas ou três matrizes, deformando o tubo

gradualmente.

Podem ser testados outros materiais, nomeadamente outros AHSS como TRIP ou MS, para se ter

uma base de comparação entre diferentes aços deste tipo.

Page 71: Pedro Alexandre Vilaça Moreira

58

REFERÊNCIAS

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[3] Hallman, R., Handtools for Trail Work. 2005. Disponível em: http://www.fs.fed.us/t-

d/pubs/pdfpubs/pdf05232810/pdf05232810dpi72.pdf [Acedido em 13 de novembro de 2014]

[4] Bahco Online Catalogue - Bowsaws. 2011; Disponível em:

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[8] Keeler, S., Forming characteristics of Advanced High-Strength Steels. 2005. Disponível em:

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[Acedido em 30 de janeiro de 2015]

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https://www.steel.org/~/media/Files/Autosteel/Research/AHSS/AHSS%20101%20-

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Strength%20Steels%20for%20Automotive%20Applications%20-%20lr.pdf?la=en [Acedido em 26 de

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[10] Interstitial free steels. 2014. Disponível em: http://ispatguru.com/interstitial-free-steels/

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[11] Bake hardenable steels. 2011. Disponível em:

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[13] ASM International Handbook Committee. ASM Handbook–Volume 1: Properties and Selection:

Irons, Steels, and High Performance Alloys. 1990

[14] Microestrutura do aço Dual-Phase. Disponível em: http://www.alikhosravani.org/wp-

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[15] Huang, M., Zhang, L. Standardization and Automation of Hole Expanding Test. Disponível

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[16] Complex Phase Steels. 2012. Disponível em:

http://www.totalmateria.com/page.aspx?ID=CheckArticle&site=kts&NM=372 [Acedido em 2 de

novembro de 2015]

[17] TRIP steels. Disponível em: http://www.metal.citic.com/iwcm/UserFiles/img/cd/2005-

HSLA-NB/HSLA-016.pdf [Acedido em 2 de novembro de 2015]

[18] Benson, S. Bending Basics: The hows and whys of springback and springforward. 2014.

Disponível em: http://www.thefabricator.com/article/bending/bending-basics-the-hows-and-whys-

of-springback-and-springforward [Acedido em 9 de setembro de 2015]

[19] Yoshida, T.,Sato, K., Isogai, E., Hashimoto, K. Springback Problems in Forming of High-

Strength Steel Sheets and Countermeasures. 2013. Disponível em:

http://www.nssmc.com/en/tech/report/nsc/pdf/103-02.pdf [Acedido em 22 de setembro de

2015]

Page 73: Pedro Alexandre Vilaça Moreira

60

[20] Lajarin, S.F., Influência da variação do módulo de elasticidade na previsão computacional do

retorno elástico em aços de alta resistência. 2012. Disponível em:

http://www.pgmec.ufpr.br/teses/tese_015_sergio_fernando_lajarin.pdf [Acedido em 1 de

dezembro de 2014]

[21] J. Yanagimoto, K.O., Mechanism of Springback-Free Bending of High-Strength Steel Sheets

under Warm Forming Conditions. 2007. Disponível em:

http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0007850607000662 [Acedido em 28 de

setembro de 2015]

[22] Brensing, K.-H. and B. Sommer, Steel Tube and Pipe Manufacturing Processes.

[23] Solda Longitudinal. Disponível em:

http://www.schweissmaschinen.net/typo3temp/pics/9415284b1d.jpg [Acedido em 31 de

janeiro de 2015

[24] Solda Helicoidal. Disponível em: http://brilco.com/ckfinder/userfiles/images/spi.jpg

[Acedido em 31 de janeiro de 2015]

[25] Bhardwaj, B.P. Handbook on Steel Bars, Wires, Tubes, Pipes, S.s. Sheets Production with

Ferrous Metal Casting & Processing. 2014. NIIR PROJECT CONSULTANCY SERVICES.

[26] Aproximação para o cálculo do perímetro da elipse. Disponível em:

https://www.mathsisfun.com/geometry/ellipse-perimeter.html [Acedido em 3 de outubro de

2015]

[27] Lee, H.-H., Finite Element Simulations with ANSYS Workbench 14. 2012: SDC Publications.

[28] Coeficiente de atrito (aço-aço). Disponível em:

http://www.engineershandbook.com/Tables/frictioncoefficients.htm [Acedido em 14 de outubro

de 2015]

[29] ANSYS Inc. PDF Documentation for Release 15.0. 2013; Disponível em:

http://148.204.81.206/Ansys/readme.html [Acedido em 5 de outubro de 2015]

Page 74: Pedro Alexandre Vilaça Moreira

61

ANEXOS

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62

ANEXO A – Resumo das características dos diversos AHSS

Podem verificar-se algumas das características principais relativas dos diferentes AHSS, como a

sua soldabilidade, conformabilidade, vantagens e aplicações.

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63

Page 77: Pedro Alexandre Vilaça Moreira

64

Adaptado de [8]

Page 78: Pedro Alexandre Vilaça Moreira

65

ANEXO B – Gráfico do diâmetro e espessura da parede do tubo

Este ilustra as gamas de tubos, em termos de diâmetro e espessura da parede, que são produzidos

com costura ou sem costura.

Referências [13]

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66

ANEXO C – Especificação do material

Os materiais utilizados na simulação são: o aço avançado de elevada resistência DP600, o aço

estrutural não linear e o aço inoxidável não linear. As suas propriedades encontram-se na seguinte

tabela. Apenas as propriedades do DP600 foram inseridas manualmente. Os outros dois aços

faziam já parte da biblioteca do programa.

Material

Propriedade DP600 Aço estrutural NL Aço inoxidável NL

Densidade (Kg m-3) 7840 7850 7750

Módulo de Young (MPa) 2,08E5 2,00E5 1,93E5

Coef. de Poisson 0,28 0,30 0,31

Módulo volumétrico (MPa) 1,5758E5 16667E5 1,693E5

Módulo de rigidez (MPa) 81250 7,6923E4 7,3664E4

Page 80: Pedro Alexandre Vilaça Moreira

67

Para a curva de plasticidade “Multilinear Isotropic Hardening” do aço DP600, foram introduzidos

os seguintes dados para a deformação plástica (mm/mm) e equivalente tensão (MPa).

0 343,99

8,81E-06 348,55

2,9E-05 352,26

3,37E-05 352,9

6,78E-05 356,63

0,000107 359,83

0,000187 364,96

0,000282 369,77

0,000437 376,05

0,000697 384,51

0,001038 393,43

0,001513 403,67

0,00215 415,13

0,002847 425,85

0,003751 437,94

0,004764 449,86

0,005957 462,37

0,007382 475,45

0,008572 484,89

0,01007 495,49

0,01209 508,17

0,01424 520,21

0,01639 531,13

0,01854 541,2

0,02082 551,12

0,02296 559,85

0,02511 568,13

0,02789 578,24

0,03003 585,61

0,0323 593,08

0,03443 599,81

0,03669 606,68

0,03895 613,29

0,0412 619,64

0,04333 625,45

0,04557 631,37

0,04781 637,1

0,05228 648,06

0,05451 653,27

0,05686 657,5

0,05957 661,37

0,06178 664,43

0,0646 668,22

0,06742 671,89

0,06974 674,81

0,07194 677,52

0,07473 680,87

0,07765 684,27

0,07982 686,72

0,08272 689,93

*Continua

*Continua

0,08561 693,03

0,08777 695,29

0,09005 697,62

0,09292 700,5

0,09578 703,29

0,09864 706

0,1008 708

0,103 710,01

0,1057 712,42

0,1086 714,94

0,1123 718,08

0,11505 720,34

0,11781 722,56

0,12056 724,72

0,12332 726,85

0,12607 728,92

0,12882 730,95

0,13158 732,94

0,13433 734,89

0,13709 736,79

0,13984 738,66

0,14259 740,49

0,14535 742,28

0,1481 744,04

0,15086 745,76

0,15361 747,45

0,15636 749,1

0,15912 750,72

0,16187 752,32

0,16463 753,88

0,16738 755,41

0,17013 756,91

0,17289 758,38

0,17564 759,83

0,1784 761,25

0,18115 762,65

0,1839 764,02

0,18666 765,36

0,18941 766,68

0,19217 767,98

0,19492 769,25

0,19767 770,5

0,20043 771,73

0,20318 772,93

0,20594 774,12

0,20869 775,29

0,21144 776,43

0,24725 789,66

0,25 790,56

Page 81: Pedro Alexandre Vilaça Moreira

68

Curva de plasticidade do aço DP600

Os dados para traçar a curva de zona plástica “Bilinear Isotropic Hardening” dos outros aços são

as seguintes:

Material

Propriedade Aço estrutural NL Aço inoxidável NL

Tensão de cedência (MPa) 250 210

Tangente do módulo (MPa) 1450 1800

Curva de plasticidade do Aço estrutural NL

Curva de plasticidade do Aço inoxidável NL

Page 82: Pedro Alexandre Vilaça Moreira

69

ANEXO D – Valores da constante C

Nesta tabela encontram-se os valores da constante C, necessários à resolução das equações que

definem o parâmetro de qualidade do elemento.

Referências [29]

Page 83: Pedro Alexandre Vilaça Moreira

70

ANEXO E – Definição do tamanho de elemento da malha

Verificação da evolução da qualidade da malha para diferentes tamanhos de elemento, desde os

8 mm, a decrescer, até ao valor de 1 mm, em intervalos de 1 mm.

Parâmetros de

qualidade

Tamanho do elemento – “Sizing”

8 mm 7 mm

Mínimo Máximo Média Mínimo Máximo Média

Qualidade do Elemento 0,3664 0,9657 0,5389 0,4223 0,9375 0,5902

Assimetria 0,0296 0,1250 0,1122 1,237E-07 0,1103 0,0925

Qualidade Ortogonal 0,9816 0,9994 0,9846 0,9882 0,99(9) 0,9897

Parâmetros de

qualidade

Tamanho do elemento – “Sizing”

6 mm 5 mm

Mínimo Máximo Média Mínimo Máximo Média

Qualidade do Elemento 0,3085 0,8836 0,6014 0,3085 0,8064 0,6631

Assimetria 3,77E-07 0,1538 0,0911 0,0224 0,1608 0,0794

Qualidade Ortogonal 0,9742 0,99(9) 0,9902 0,9707 0,9995 0,9927

Parâmetros de

qualidade

Tamanho do elemento – “Sizing”

4 mm 3 mm

Mínimo Máximo Média Mínimo Máximo Média

Qualidade do Elemento 0,4223 0,7837 0,7613 0,5269 0,7741 0,6243

Assimetria 0,0143 0,1214 0,0635 0,0089 0,0973 0,0778

Qualidade Ortogonal 0,9834 0,9998 0,9956 0,9893 0,99991 0,9924

Parâmetros de

qualidade

Tamanho do elemento – “Sizing”

2 mm 1 mm

Mínimo Máximo Média Mínimo Máximo Média

Qualidade do Elemento 0,4026 0,7836 0,7288 0,4928 0,99992 0,8769

Assimetria 1,15E-07 0,07008 0,0532 1,51E-06 0,0395 0,0280

Qualidade Ortogonal 0,9944 0,999(9) 0,9967 0,9982 0,99(9) 0,9994

Page 84: Pedro Alexandre Vilaça Moreira

71

ANEXO F – Dados dos gráficos apresentados nos resultados

Gráfico 1 e 2 – DP600

t (s) Tensão (Mpa) UY (mm)

1,00E-01 0 1,78E-15

2,00E-01 0 1,78E-15

0,3 0 1,78E-15

0,4 0 1,78E-15

0,5 0 1,78E-15

0,6 0 1,78E-15

0,7 0 1,78E-15

0,8 0 1,78E-15

0,9 0 1,78E-15

1 0 1,78E-15

1,1 0 5,88E-02

1,2 0 0,1175

1,3 0 0,17625

1,4 0 0,235

1,5 0 0,29375

1,6 0 0,3525

1,7 105,48 0,41125

1,8 378,63 0,47

1,9 411,49 0,52875

2 473,96 0,5875

2,1 486,68 0,64625

2,2 507,81 0,705

2,3 571,03 0,76375

2,4 545,72 0,8225

2,5 586,15 0,88125

2,6 578,14 0,94

2,7 590,64 0,99875

2,8 595,69 1,0575

2,9 599,77 1,1163

3 608,07 1,175

3,1 610,15 1,2337

3,2 611,93 1,2925

3,3 613,51 1,3513

3,4 617,95 1,41

3,5 620,7 1,4688

3,6 613,13 1,5275

3,7 605 1,5862

3,8 608,53 1,645

3,9 619,63 1,7038

4 622,45 1,7625

4,1 624,18 1,8212

4,2 624,75 1,88

4,3 623,67 1,9388

4,4 625,61 1,9975

4,5 627,65 2,0563

4,6 629,59 2,115

4,7 630,72 2,1737

4,8 631,98 2,2325

4,9 632,91 2,2941

5 633,66 2,3659

5,1 540,23 2,2933

5,2 464,41 2,2325

5,3 426,89 2,1737

5,4 489,33 2,115

5,5 494,53 2,0563

5,6 496,25 1,9975

5,7 500,86 1,9388

5,8 530,83 1,88

5,9 530,83 1,8212

6 530,83 1,8164

6,1 530,83 1,8164

6,2 530,83 1,8164

6,3 530,83 1,8164

6,4 530,83 1,8164

6,5 530,83 1,8164

6,6 530,83 1,8164

6,7 530,83 1,8164

6,8 530,83 1,8164

6,9 530,83 1,8164

7 530,83 1,8164

7,1 530,83 1,8164

7,2 530,83 1,8164

7,3 530,83 1,8164

7,4 530,83 1,8164

7,5 530,83 1,8164

7,6 530,83 1,8164

7,7 530,83 1,8164

7,8 530,83 1,8164

7,9 530,83 1,8164

8 530,83 1,8164

8,1 530,83 1,8164

8,2 530,83 1,8164

8,3 530,83 1,8164

8,4 530,83 1,8164

8,5 530,83 1,8164

8,6 530,83 1,8164

8,7 530,83 1,8164

8,8 530,83 1,8164

8,9 530,83 1,8164

9 530,83 1,8164

Page 85: Pedro Alexandre Vilaça Moreira

72

Gráfico 1 e 2 – Aço estrutural não linear

t (s) Tensão (Mpa) UY (mm)

1,00E-01 0 1,78E-15

2,00E-01 0 1,78E-15

0,3 0 1,78E-15

0,4 0 1,78E-15

0,5 0 1,78E-15

0,6 0 1,78E-15

0,7 0 1,78E-15

0,8 0 1,78E-15

0,9 0 1,78E-15

1 0 1,78E-15

1,1 0 5,88E-02

1,2 0 0,1175

1,3 0 0,17625

1,4 0 0,235

1,5 0 0,29375

1,6 0 0,3525

1,7 102,22 0,41125

1,8 321,56 0,47

1,9 340,23 0,52875

2 344,96 0,5875

2,1 347,8 0,64625

2,2 380,7 0,705

2,3 404,81 0,76375

2,4 386,81 0,8225

2,5 409,51 0,88125

2,6 386,81 0,94

2,7 364,63 0,99875

2,8 327,75 1,0575

2,9 319,75 1,1163

3 317,13 1,175

3,1 318,7 1,2337

3,2 321,85 1,2925

3,3 321,18 1,3513

3,4 312,28 1,41

3,5 316,77 1,4688

3,6 319,85 1,5275

3,7 325,67 1,5862

3,8 326,11 1,645

3,9 326,65 1,7038

4 327,26 1,7625

4,1 324,43 1,8218

4,2 327,94 1,8916

4,3 328,65 1,9696

4,4 329,27 2,0488

4,5 329,77 2,1221

4,6 330,09 2,1915

4,7 330,67 2,2659

4,8 330,99 2,3419

4,9 331,26 2,4145

5 331,24 2,4832

5,1 279,34 2,4102

5,2 277,72 2,333

5,3 281,69 2,2592

5,4 281,1 2,1857

5,5 280,56 2,1558

5,6 280,56 2,1558

5,7 280,56 2,1558

5,8 280,56 2,1558

5,9 280,56 2,1558

6 280,56 2,1558

6,1 280,56 2,1558

6,2 280,56 2,1558

6,3 280,56 2,1558

6,4 280,56 2,1558

6,5 280,56 2,1558

6,6 280,56 2,1558

6,7 280,56 2,1558

6,8 280,56 2,1558

6,9 280,56 2,1558

7 280,56 2,1558

7,1 280,56 2,1558

7,2 280,56 2,1558

7,3 280,56 2,1558

7,4 280,56 2,1558

7,5 280,56 2,1558

7,6 280,56 2,1558

7,7 280,56 2,1558

7,8 280,56 2,1558

7,9 280,56 2,1558

8 280,56 2,1558

8,1 280,56 2,1558

8,2 280,56 2,1558

8,3 280,56 2,1558

8,4 280,56 2,1558

8,5 280,56 2,1558

8,6 280,56 2,1558

8,7 280,56 2,1558

8,8 280,56 2,1558

8,9 280,56 2,1558

9 280,56 2,1558

Page 86: Pedro Alexandre Vilaça Moreira

73

Gráfico 1 e 2 – Aço inoxidável não linear

t (s) Tensão (Mpa) UY (mm)

1,00E-01 0 1,78E-15

2,00E-01 0 1,78E-15

0,3 0 1,78E-15

0,4 0 1,78E-15

0,5 0 1,78E-15

0,6 0 1,78E-15

0,7 0 1,78E-15

0,8 0 1,78E-15

0,9 0 1,78E-15

1 0 1,78E-15

1,1 0 5,88E-02

1,2 0 0,1175

1,3 0 0,17625

1,4 0 0,235

1,5 0 0,29375

1,6 0 0,3525

1,7 99,034 0,41125

1,8 270,24 0,47

1,9 256,48 0,52875

2 267,92 0,5875

2,1 310,99 0,64625

2,2 334,2 0,705

2,3 316,64 0,76375

2,4 346,08 0,8225

2,5 337,31 0,88125

2,6 303,71 0,94

2,7 284,89 0,99875

2,8 290,86 1,0575

2,9 292,26 1,1163

3 292,8 1,175

3,1 295,01 1,2337

3,2 298,36 1,2925

3,3 298,63 1,3513

3,4 291,53 1,41

3,5 295,72 1,4688

3,6 299,43 1,5275

3,7 302,63 1,5862

3,8 303,12 1,645

3,9 303,72 1,7038

4 304,44 1,7625

4,1 302,78 1,8233

4,2 304,99 1,8908

4,3 305,9 1,9677

4,4 306,71 2,0463

4,5 307,39 2,1213

4,6 307,75 2,1902

4,7 308,36 2,2637

4,8 308,78 2,3397

4,9 309,12 2,4133

5 309,18 2,4824

5,1 231,84 2,4085

5,2 245,93 2,3318

5,3 249,58 2,2585

5,4 248,5 2,1902

5,5 248,5 2,1902

5,6 248,5 2,1902

5,7 248,5 2,1902

5,8 248,5 2,1902

5,9 248,5 2,1902

6 248,5 2,1902

6,1 248,5 2,1902

6,2 248,5 2,1902

6,3 248,5 2,1902

6,4 248,5 2,1902

6,5 248,5 2,1902

6,6 248,5 2,1902

6,7 248,5 2,1902

6,8 248,5 2,1902

6,9 248,5 2,1902

7 248,5 2,1902

7,1 248,5 2,1902

7,2 248,5 2,1902

7,3 248,5 2,1902

7,4 248,5 2,1902

7,5 248,5 2,1902

7,6 248,5 2,1902

7,7 248,5 2,1902

7,8 248,5 2,1902

7,9 248,5 2,1902

8 248,5 2,1902

8,1 248,5 2,1902

8,2 248,5 2,1902

8,3 248,5 2,1902

8,4 248,5 2,1902

8,5 248,5 2,1902

8,6 248,5 2,1902

8,7 248,5 2,1902

8,8 248,5 2,1902

8,9 248,5 2,1902

9 248,5 2,1902

Page 87: Pedro Alexandre Vilaça Moreira

74

Gráfico 3 e 4 – DP600

t (s) Tensão (Mpa) UY (mm)

0,1 2,90E-04 0,235

0,2 567,16 0,47

0,3 583,13 0,705

0,4 554,03 0,94

0,5 576,1 1,175

0,6 580,97 1,41

0,7 586,28 1,645

0,8 581,99 1,88

0,9 580,26 2,115

1 592,92 2,4072

1,1 587,38 2,5405

1,2 596,55 2,6732

1,3 609,23 2,8154

1,4 620,13 2,9466

1,5 629,44 3,0553

1,6 636,44 3,1461

1,7 640,03 3,197

1,8 642,59 3,2182

1,9 626,48 3,2056

2 616,5 3,192

2,1 607,25 3,1688

2,2 595,74 3,1311

2,3 590,84 3,0911

2,4 582,77 3,0375

2,5 585,59 2,9919

2,6 588,69 2,947

2,7 591,98 2,8998

2,8 595,21 2,8561

2,9 598,36 2,8022

3 600,48 2,7569

3,1 601,5 2,7134

3,2 602,42 2,6708

3,3 603,16 2,6346

3,4 604,89 2,6016

3,5 606,3 2,5719

3,6 606,79 2,5526

3,7 614,74 2,5592

3,8 615,95 2,5655

3,9 617,13 2,5679

4 618,15 2,5722

4,1 619,34 2,572

4,2 620,34 2,5734

4,3 621,2 2,5786

4,4 621,96 2,5838

4,5 622,65 2,5877

4,6 623,34 2,5857

4,7 623,9 2,5863

4,8 624,4 2,5869

4,9 624,86 2,5855

5 625,24 2,5847

5,1 625,6 2,5789

5,2 625,88 2,575

5,3 628,29 2,5716

5,4 630,4 2,5679

5,5 632,17 2,5652

5,6 633,96 2,5594

5,7 635,31 2,5544

5,8 636,44 2,5499

5,9 637,4 2,5456

6 638,19 2,542

6,1 638,66 2,5375

6,2 638,69 2,5334

6,3 638,19 2,529

6,4 637,9 2,5256

6,5 637,56 2,5227

6,6 636,65 2,5193

6,7 635,44 2,5161

6,8 633,42 2,5124

6,9 631,97 2,5095

7 630,64 2,5072

7,1 628,84 2,5046

7,2 627,43 2,5027

7,3 625,05 2,5003

7,4 623,07 2,4985

7,5 620,78 2,4967

7,6 618,84 2,4952

7,7 617,27 2,4941

7,8 615,39 2,4931

7,9 613,99 2,4923

8 612,29 2,4916

8,1 611,26 2,4911

8,2 609,77 2,4907

8,3 608,82 2,4905

8,4 608,38 2,4902

8,5 607,78 2,4901

8,6 606,29 2,4901

8,7 604,44 2,4903

8,8 603,76 2,4907

8,9 603,48 2,4917

9 603,36 2,4933

Page 88: Pedro Alexandre Vilaça Moreira

75

Gráfico 3 e 4 – Aço estrutural não linear

t (s) Tensão (Mpa) UY (mm)

0,1 2,78E-04 0,235

0,2 333,62 0,47

0,3 386,03 0,705

0,4 330,67 0,94

0,5 310,73 1,175

0,6 313,63 1,41

0,7 311,51 1,645

0,8 312,5 1,88

0,9 310,04 2,1525

1 315,01 2,5059

1,1 308,39 2,672

1,2 316,65 2,8555

1,3 311,17 3,0366

1,4 318,47 3,203

1,5 321,88 3,3501

1,6 327,46 3,4692

1,7 331,28 3,543

1,8 334,53 3,5999

1,9 335,76 3,6293

2 336,66 3,6367

2,1 319,61 3,63

2,2 309,02 3,6018

2,3 307,9 3,5739

2,4 310,89 3,5442

2,5 309,53 3,5104

2,6 314,75 3,4773

2,7 314,02 3,4359

2,8 310,92 3,3992

2,9 316 3,363

3 314,97 3,3257

3,1 320,7 3,29

3,2 339,6 3,249

3,3 357,31 3,2119

3,4 374,67 3,1754

3,5 392,48 3,1402

3,6 409,44 3,1069

3,7 423,64 3,0725

3,8 358,95 3,0403

3,9 362,21 3,0089

4 343,41 2,9816

4,1 352,39 2,9566

4,2 365,23 2,9375

4,3 346,68 2,9218

4,4 348,6 2,927

4,5 366,34 2,9352

4,6 361 2,9426

4,7 340,33 2,948

4,8 340,04 2,9529

4,9 333,71 2,954

5 333,78 2,9549

5,1 333,83 2,9558

5,2 333,87 2,9558

5,3 333,89 2,9559

5,4 333,91 2,9547

5,5 333,93 2,9536

5,6 333,95 2,9516

5,7 333,96 2,95

5,8 333,97 2,9488

5,9 333,98 2,9473

6 333,94 2,9459

6,1 333,3 2,9437

6,2 332,81 2,9423

6,3 332,36 2,941

6,4 331,75 2,9397

6,5 331,14 2,9387

6,6 329,84 2,937

6,7 328,82 2,9359

6,8 327,94 2,9349

6,9 326,97 2,9339

7 326,14 2,9331

7,1 324,85 2,9321

7,2 323,66 2,9314

7,3 322,41 2,9307

7,4 321,49 2,9302

7,5 320,72 2,9298

7,6 320,27 2,9294

7,7 320 2,9291

7,8 319,09 2,9288

7,9 319,09 2,9287

8 318,61 2,9286

8,1 318,27 2,9285

8,2 318,2 2,9284

8,3 318,21 2,9284

8,4 317,8 2,9284

8,5 316,79 2,9285

8,6 316,79 2,9285

8,7 316,79 2,9285

8,8 316,79 2,9285

8,9 316,79 2,9285

9 316,79 2,9285

Page 89: Pedro Alexandre Vilaça Moreira

76

Gráfico 3 e 4 – Aço inoxidável não linear

t (s) Tensão (Mpa) UY (mm)

0,1 2,68E-04 0,235

0,2 271,49 0,47

0,3 342,64 0,705

0,4 266,86 0,94

0,5 279,93 1,175

0,6 276,35 1,41

0,7 283,33 1,645

0,8 279,98 1,88

0,9 283,96 2,1587

1 282,78 2,5142

1,1 274,09 2,6838

1,2 277,67 2,8695

1,3 286,21 3,0521

1,4 292,96 3,2197

1,5 299,67 3,3667

1,6 305,91 3,4852

1,7 310,28 3,5616

1,8 313,71 3,6172

1,9 315,08 3,6482

2 313,59 3,655

2,1 294,03 3,6485

2,2 281,88 3,6209

2,3 281,11 3,5934

2,4 280,46 3,5646

2,5 277,67 3,531

2,6 279,31 3,4987

2,7 282,66 3,4576

2,8 284,45 3,4213

2,9 285,99 3,3852

3 286,57 3,348

3,1 287,95 3,3129

3,2 304,58 3,2721

3,3 320,28 3,235

3,4 335,87 3,1987

3,5 351,72 3,1634

3,6 322,58 3,1302

3,7 301,71 3,0957

3,8 299,84 3,0632

3,9 300,75 3,0318

4 307,38 3,0043

4,1 312,14 2,9793

4,2 313,71 2,9616

4,3 314,01 2,959

4,4 314,32 2,9652

4,5 314,53 2,9722

4,6 314,7 2,9807

4,7 314,84 2,9869

4,8 314,95 2,9926

4,9 315,04 2,9941

5 315,1 2,9956

5,1 315,15 2,9971

5,2 315,18 2,9975

5,3 315,2 2,998

5,4 315,22 2,9971

5,5 315,23 2,9963

5,6 315,25 2,9946

5,7 315,26 2,9932

5,8 315,26 2,9922

5,9 315,27 2,9909

6 315,25 2,9897

6,1 314,73 2,9877

6,2 314,35 2,9864

6,3 314,01 2,9854

6,4 313,52 2,9842

6,5 313,02 2,9833

6,6 311,86 2,9817

6,7 310,99 2,9808

6,8 310,27 2,9798

6,9 309,45 2,9789

7 308,76 2,9782

7,1 307,64 2,9774

7,2 306,59 2,9767

7,3 305,55 2,9761

7,4 304,77 2,9756

7,5 304,11 2,9752

7,6 303,32 2,9749

7,7 302,7 2,9746

7,8 301,96 2,9744

7,9 301,51 2,9742

8 300,85 2,9741

8,1 300,43 2,974

8,2 299,79 2,974

8,3 299,31 2,974

8,4 298,79 2,974

8,5 298,27 2,9741

8,6 297,93 2,974

8,7 297,58 2,9741

8,8 297,43 2,9742

8,9 297,5 2,9749

9 297,68 2,9755

Page 90: Pedro Alexandre Vilaça Moreira

77

Gráfico 5 e 6

0,03

t UY Tensão

0,2 0,235 1,01E-03

0,4 0,47 574,2

0,5 0,5875 477,38

0,6 0,705 584,52

0,75 0,88125 553,71

0,9 1,0575 578,44

1 1,175 591,23

1,07 1,2572 598,01

1,14 1,3395 593,75

1,245 1,4629 591

1,35 1,5862 592,9

1,4288 1,6788 585,37

1,5075 1,7713 592,44

1,6256 1,9623 596,37

1,6847 2,0714 595,76

1,7437 2,1677 594,16

1,8323 2,3149 598,84

1,9209 2,4329 608,94

2 2,5134 618,57

2,2 2,4739 602,06

2,4 2,3907 591,1

2,5 2,3951 585,4

2,6 2,4153 592,64

2,75 2,4345 590,59

2,9 2,4523 594,94

3 2,4649 596,24

3,2 2,4915 599,86

3,3 2,4918 601,12

3,4 2,4967 601,61

3,55 2,5049 602,55

3,7 2,5188 602,89

3,8125 2,5302 603,53

3,925 2,5432 604,91

4 2,5455 606,59

4,2 2,5607 608,86

4,4 2,5641 607,87

4,5 2,5632 608,11

4,6 2,5631 608,35

4,75 2,5639 608,64

4,875 2,5571 608,89

5 2,5551 609,7

5,2 2,5482 609,51

5,4 2,5408 609,82

5,5 2,5378 609,93

5,6 2,5352 610,15

5,75 2,5342 610,69

5,875 2,5261 611,41

6 2,5222 613,57

6,2 2,5118 615,7

6,2086 2,511 615,62

6,2172 2,511 615,79

6,23 2,5111 616,08

6,2429 2,5112 616,36

6,2622 2,5082 615,6

6,2911 2,5056 615,23

6,3345 2,5038 615,38

6,3996 2,5023 615,9

6,4973 2,4962 615,09

6,5015 2,4955 614,8

6,5057 2,495 614,67

6,512 2,4947 614,65

6,5214 2,4943 614,64

6,5355 2,4942 614,81

6,5567 2,4943 615,08

6,5779 2,4928 614,7

6,6097 2,4901 613,95

6,6574 2,4888 613,97

6,729 2,4866 613,76

6,8363 2,4811 611,74

6,8463 2,4807 611,45

6,8564 2,4805 611,38

6,8714 2,4803 611,45

6,894 2,4802 611,6

6,9165 2,4792 610,78

6,9504 2,4781 610,67

7 2,477 610,54

7,0245 2,4764 610,46

7,049 2,4762 610,75

7,05 2,4762 610,76

7,051 2,4762 610,77

8 2,4788 0

Page 91: Pedro Alexandre Vilaça Moreira

78

Gráfico 5 e 6

0,04

t UY Tensão

0,2 0,235 1,01E-03

0,4 0,47 574,71

0,40858 0,48008 438,61

0,41715 0,49015 473,29

0,43001 0,50526 412,67

0,44931 0,52793 475,21

0,47825 0,56194 439,01

0,52166 0,61295 472,21

0,58677 0,68946 561,08

0,68445 0,80423 564,09

0,78212 0,919 566,4

0,92864 1,0911 584,68

1 1,175 589,75

1,2 1,41 588,17

1,27 1,4922 582,24

1,34 1,5745 590,82

1,445 1,6979 592,31

1,55 1,8212 598,77

1,6288 1,9613 593,42

1,7075 2,1015 598,78

1,7666 2,2116 598

1,8256 2,3012 597,5

1,9142 2,4197 607,68

2 2,5127 618,55

2,2 2,4724 602,99

2,35 2,4165 591,01

2,5 2,4101 584,61

2,65 2,4289 585,25

2,875 2,4585 590,16

3 2,4634 593,14

3,07 2,4691 594,49

3,14 2,4744 596,28

3,245 2,4894 598,57

3,35 2,4958 600,6

3,455 2,5 602,35

3,6125 2,5142 604,68

3,77 2,5253 606,47

3,9275 2,5297 607,37

4 2,5305 605,44

4,2 2,538 606,69

4,4 2,5406 606,99

4,6 2,5552 607,4

4,7 2,5539 607,6

4,8 2,5599 607,81

4,95 2,5653 608,19

5 2,5683 608,33

5,2 2,567 608,81

5,3 2,5625 608,97

5,4 2,5617 609,49

5,55 2,5555 610,18

5,7 2,5486 610,7

5,8125 2,5444 611,02

5,925 2,54 612,32

6 2,5359 613,58

6,2 2,5261 615,84

6,4 2,5174 616,01

6,4086 2,5173 616,07

6,4172 2,5165 615,84

6,43 2,5142 614,72

6,4493 2,513 614,59

6,4782 2,5126 614,98

6,5217 2,5098 614,23

6,5296 2,5096 614,31

6,5376 2,5096 614,44

6,5496 2,5096 614,61

6,5615 2,5096 614,74

6,5795 2,5078 613,99

6,6064 2,5062 613,54

6,6468 2,5056 613,84

6,7074 2,5032 613,28

6,7113 2,5031 613,31

6,7152 2,5031 613,34

6,721 2,5031 613,37

6,7298 2,503 613,4

6,7429 2,5014 612,48

6,7561 2,5002 611,9

6,7758 2,4997 611,98

6,8054 2,4994 612,17

6,8497 2,4969 611,58

6,8526 2,4969 611,6

6,8554 2,4969 611,65

6,8597 2,4968 611,7

6,8661 2,4968 611,76

6,8758 2,4967 611,81

6,8854 2,4966 611,85

6,8999 2,4964 611,85

6,9215 2,4941 610,61

6,954 2,4933 611,27

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8 2,5067 0

Page 92: Pedro Alexandre Vilaça Moreira

79

Gráfico 5 e 6

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t UY Tensão

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Page 93: Pedro Alexandre Vilaça Moreira

80

4,4924 2,6136 623,95

4,4998 2,6146 623,99

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Page 94: Pedro Alexandre Vilaça Moreira

81

8 2,5207 612,13

8,2 2,52 611,98

8,4 2,5198 612,13

8,7 2,52 610,06

9 2,5229 602,49

Gráfico 5 e 6

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t UY Tensão

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Page 95: Pedro Alexandre Vilaça Moreira

82

5,6615 2,547 634,63

5,6625 2,5471 634,65

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6,8623 2,497 632,78

6,8764 2,4968 632,79

6,8905 2,4953 631,61

6,9116 2,4942 631,06

6,9433 2,4936 631,23

6,9716 2,4925 630,63

7 2,4913 629,95

7,07 2,4892 628,84

7,14 2,4875 628,16

7,245 2,484 625,82

7,35 2,4808 623,54

7,3568 2,4807 623,48

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7,4116 2,48 623,1

7,4458 2,4783 621,41

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7,524 2,4766 619,92

7,5334 2,4766 619,89

7,5429 2,4764 619,84

7,557 2,4764 619,85

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7,5661 2,4763 619,84

7,5719 2,4763 619,79

7,5807 2,4763 619,83

7,5938 2,4759 619,03

7,6136 2,4749 618,04

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7,6441 2,4744 617,82

7,6451 2,4744 617,8

7,6466 2,4744 617,79

7,6489 2,4744 617,77

7,6523 2,4744 617,74

7,6573 2,4743 617,74

7,6649 2,4743 617,79

7,6763 2,4741 617,5

7,6934 2,4738 616,72

7,719 2,4736 616,53

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7,7284 2,4735 616,53

7,7355 2,4735 616,51

7,7461 2,4735 616,56

7,7567 2,4735 616,62

7,7726 2,4732 615,86

7,7964 2,4732 615,19

7,8322 2,473 615,29

7,8388 2,473 615,3

7,8453 2,4729 615,37

7,8552 2,4727 615,59

7,87 2,4729 615,34

7,8922 2,4727 615,37

7,8932 2,4727 615,37

7,8942 2,4727 615,39

Page 96: Pedro Alexandre Vilaça Moreira

83

7,8957 2,4727 615,43

7,8979 2,4727 615,48

7,9013 2,4727 615,47

7,9063 2,4727 615,42

7,9139 2,4726 615,43

7,9215 2,4726 615,44

7,9329 2,4726 615,6

7,95 2,4726 615,63

7,9756 2,4725 615,18

8 2,4722 615,52

8,2 2,472 615,65

8,2122 2,472 615,66

8,2245 2,4719 615,67

8,2429 2,4718 614,82

8,2704 2,472 614,98

8,2755 2,4718 615,18

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8,4258 2,472 613,44

8,448 2,472 613,41

8,449 2,472 613,42

8,45 2,472 613,47

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8,4537 2,472 613,57

8,456 2,472 613,64

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8,4834 2,472 614,04

8,492 2,472 614,07

8,5005 2,472 613,93

8,5133 2,4721 612,31

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8,547 2,4721 611,41

8,5542 2,4722 611,64

8,5614 2,4721 611,82

8,5722 2,4721 612,01

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8,5835 2,4724 612,09

8,592 2,4724 612,08

8,6006 2,4724 611,49

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8,6325 2,4726 610,22

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8,6501 2,4725 610,51

8,6614 2,4725 610,56

8,6699 2,4725 610,45

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8,7494 2,473 609,19

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8,7691 2,473 608,99

8,7869 2,473 607,45

8,8046 2,4732 605,17

8,8313 2,4736 603,16

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8,8979 2,474 603,11

8,9378 2,4748 603,02

8,9689 2,4751 602,96

9 2,4754 603,05

Page 97: Pedro Alexandre Vilaça Moreira

84

Gráfico 7 e 8

0,9mm

t UY Tensão

0,2 0,47 352,71

0,3 0,705 497,38

0,4 0,94 512,24

0,55 1,2925 541,83

0,7 1,645 543,7

0,775 1,8212 556,33

0,85 1,9975 561,48

0,9625 2,3267 574,87

1 2,4401 583,55

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1,85 3,3 646,83

2 3,3118 648,41

2,2 3,2745 646,56

2,4 3,1907 626,03

2,7 3,0615 630,52

2,85 2,9808 629,73

3 2,9045 627,83

3,2 2,8184 629,48

3,4 2,7272 625,48

3,7 2,6137 620,58

4 2,5103 615,23

4,2 2,5144 637,91

4,4 2,5288 650,32

4,6 2,5322 660,24

4,9 2,5395 672,6

5 2,5287 676,32

5,2 2,5285 681,69

5,4 2,524 685,86

5,55 2,5158 687,82

5,7 2,5074 689,34

5,925 2,4987 691,04

6 2,4932 691,32

6,2 2,4822 692

6,4 2,4732 692,31

6,7 2,4587 691,86

7 2,4447 687,14

7,2 2,4358 681,79

7,4 2,429 677,07

7,7 2,4213 669,84

8 2,4164 663,39

8,2 2,4136 658,03

8,4 2,412 654,02

8,7 2,411 650,01

9 2,4146 646,99

Page 98: Pedro Alexandre Vilaça Moreira

85

Gráfico 7 e 8

0,8mm

t UY Tensão

0,2 0,47 383,02

0,3 0,705 499,89

0,4 0,94 593,76

0,475 1,1163 566,28

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1,2 2,6548 569,46

1,4 2,9016 586,76

1,7 3,179 612,2

2 3,288 622,86

2,2 3,2722 598,3

2,4 3,1958 576,73

2,7 3,0697 569,62

2,85 2,9831 564,79

3 2,9044 557,67

3,2 2,8158 560,37

3,4 2,7241 588,7

3,6 2,6333 559,93

3,9 2,5235 566,22

4 2,4803 566,02

4,2 2,4741 581,13

4,4 2,4893 599,36

4,55 2,4931 600,79

4,7 2,4961 602,24

4,925 2,5024 603,86

5 2,497 611,34

5,2 2,491 619,81

5,4 2,4846 620,96

5,55 2,4759 621,49

5,7 2,468 621,93

5,925 2,465 622,41

6 2,4598 622,55

6,2 2,4555 622,86

6,4 2,4526 623,07

6,7 2,4404 623,26

7 2,4151 622,52

7,2 2,3964 619,72

7,4 2,3818 615,55

7,7 2,359 609,26

8 2,3522 603,22

8,07 2,3502 600,52

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8,14 2,35 598,9

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8,2521 2,35 596,85

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8,4222 2,35 593,33

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8,6186 2,35 590,12

8,6224 2,35 590,12

8,6281 2,35 590,12

8,6367 2,35 590,1

8,6495 2,35 589,53

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8,6975 2,35 588,78

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8,8343 2,35 586,67

8,8991 2,35 585,5

8,9495 2,35 584,95

9 2,35 583,68

Page 99: Pedro Alexandre Vilaça Moreira

86

Gráfico 7 e 8

0,7mm

t UY Tensão

0,2 0,47 339,07

0,3 0,705 486,96

0,4 0,94 545,8

0,55 1,2925 549,21

0,7 1,645 554,86

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0,85 1,9975 544,28

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2,2 3,2707 609,28

2,4 3,2294 572,16

2,6 3,1443 559,08

2,9 3,0085 553,46

3 2,9344 549,8

3,2 2,8396 588,25

3,4 2,7493 545,06

3,7 2,6117 548,79

4 2,4945 548,1

4,2 2,4158 548,46

4,4 2,4065 551,78

4,7 2,4225 579,1

4,85 2,4168 585,45

5 2,4223 588,12

5,2 2,4222 603,12

5,4 2,4228 604,41

5,7 2,4148 605,96

5,85 2,4047 606,58

6 2,4114 607,09

6,2 2,4113 607,66

6,4 2,4072 608,08

6,55 2,3957 608,3

6,7 2,396 608,48

6,85 2,3969 608,63

7 2,3868 608,72

7,2 2,3744 608,77

7,4 2,3565 606,95

7,7 2,35 600,97

8 2,35 594,97

8,2 2,35 590,34

8,275 2,35 588,29

8,2797 2,35 588,31

8,2844 2,35 588,13

8,2914 2,35 587,48

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8,361 2,35 586,62

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8,4318 2,35 584,25

8,4413 2,35 584,3

8,4484 2,35 584,32

8,4555 2,35 584,33

8,4627 2,35 584,11

8,4734 2,35 583,19

8,4894 2,35 582,53

8,4954 2,35 582,59

8,5014 2,35 582,63

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8,5417 2,35 582,69

8,5493 2,35 582,65

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8,6036 2,35 580,46

8,6132 2,35 580,5

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8,6331 2,35 580,51

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8,6466 2,35 580,22

8,6588 2,35 579,29

8,6771 2,35 578,84

8,684 2,35 578,87

Page 100: Pedro Alexandre Vilaça Moreira

87

8,6908 2,35 578,88

8,7011 2,35 578,89

8,7088 2,35 578,87

8,7165 2,35 578,84

8,7281 2,35 578,75

8,7397 2,35 578,3

8,757 2,35 577,11

8,7831 2,35 576,49

8,8221 2,35 576,42

8,8612 2,35 575,09

8,9198 2,35 574,18

9 2,35 571,01

Page 101: Pedro Alexandre Vilaça Moreira

88

ANEXO G – Tutorial para realização da simulação do Caso de Estudo (Cap.3)

Aqui é elaborado um tutorial detalhado com os passos necessários à realização da simulação do

caso de estudo no programa ANSYS v15. São enumerados os passos com as devidas figuras para

facilitarem a execução da simulação para eventuais interessados.

1º É necessária a instalação do programa ANSYS. Esta simulação foi feita no ANSYS v15, mas

também testada na v16.

2º Iniciando o programa ANSYS Workbench 15.0, obtém-se o seguinte ambiente de trabalho.

3º Duplo clique no módulo “Static Structural”, para abrir a tabela A com os passos da simulação.

4º Duplo clique no passo “Engineering Data”, que abre a biblioteca de materiais disponíveis por

defeito no programa, mostrando a configuração da figura seguinte.

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5º Clique no “Engineering Data Sources” para editar, e acrescentar o material DP600.

6º Foi criada uma nova pasta de materiais com o nome “Tese”, e um novo material DP600. Pode

ver-se na figura acima as propriedades do material. Foi adicionada ainda a característica de

“Multilinear Isotropic Hardening”, adicionando assim uma curva para a zona de plasticidade do

material. A tabela com os valores desta curva pode ser consultada no Anexo C.

7º Depois da edição o material deve ser guardado. E deve ser adicionado ao projeto clicando no

“+” na coluna “Add”.

8º Regressando ao projeto, clicando no separador “Project”, duplo clique no passo “Geometry”.

9º Procede-se clicando em “File” -> “Import External Geometry File” -> “Generate”. O modelo

conjunto é gerado e apresentado. A janela do “DesignModeler” pode ser fechada, pois a geometria

já foi carregada no ANSYS Workbench.

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10º Pode verificar-se, na figura seguinte, um “visto” nos itens que já foram carregados. Duplo

clique no seguinte: “Model”.

11º No lado esquerdo existe uma janela com a organização em diferentes níveis deste projeto.

Na geometria devem ser atribuídos nomes aos 3 sólidos do conjunto de forma a facilitar a sua

identificação ao longo da preparação da análise.

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12º Atribuição do material a cada componente. Um aço DP600 para o tubo e a definição de

material rígido para as matrizes.

13º Atribuem-se as superfícies de contacto, “Contact bodies” para o tubo e “Target bodies” para

as matrizes. Com um tipo de contacto “Frictionless”, sem atrito.

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14º Prossegue-se com a geração de malha. É utilizado o método “Hex dominant” para o

componente “Tubo”. E o “Mapped face Meshing” para todas as superfícies dos 3 sólidos. É

definido um tamanho de elemento de 2mm.

15º De seguida são de definidas as condições da análise. São definidos um total de 9 steps de

tempo e 10 substeps para cada step. Isto dará um output de dados final com 90 pontos.

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16º É definido o suporte fixo numa das extremidades do tubo. Em “Supports” -> “Fixed support”.

17º É definido o movimento descendente da meia matriz de cima e o movimento ascendente da

matriz de baixo. Ou seja, são definidos deslocamentos de 2,35 mm em sentidos opostos. A

aproximação ao tubo ocorre até ao step 5 e inicia o afastamento a partir do mesmo. A aproximação

e afastamento é feita a velocidade constante. Em “Supports” -> “Remote Displacement”.

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18º Procede-se da mesma forma para a meia matriz inferior, apenas alterando o sinal do sentido

do deslocamento.

19º Adiciona-se agora os resultados que se pretende avaliar, disponíveis após correr a simulação,

como a “Total deformation”, “Directional Deformation”, “Equivalent Elastic Strain”, “Equivalent

Stress”.

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20º Clicando no botão direito do rato em “Solution”, pode fazer-se “Solve”, para correr a

simulação.