A INFLUÊNCIA DO PROCESSO DE FABRICAÇÃO NA … · Componente da suspensão dianteira veicular 3....
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Valmir Fleischmann [email protected]
A INFLUÊNCIA DO PROCESSO DE FABRICAÇÃO NA PERFORMANCE
ESTRUTURAL DE COMPONENTES FUNDIDOS OTIMIZADOS
Sumário
1. Introdução
2. Metodologia
3. Configuração da análise
• Modelo de estudo
• Material e propriedades
• Restrições e carregamentos
4. Resultados
• Análise estática
• Otimização topológica
• Análise de processo
• Otimização de forma
• Análise de fadiga
5. Discussões dos resultados
2II Seminário: A Otimização de Produtos Automotivos
1. Introdução
3II Seminário: A Otimização de Produtos Automotivos
Tipos de otimização:
Topológica – redução de material com maximização da rigidez
Forma – minimizar o nível de tensão; maximizar a vida útil do componente
Bead – aumentar a rigidez de placas pela criação de geometrias corrugadas (beads)
Fluídos – otimizar a condição de escoamento; reduzir perda de carga
Images Courtesyof AUDI AG
Images Courtesy of Ford Werke AG
Topológica
Forma
Bead
Fluidos
1. Introdução
4II Seminário: A Otimização de Produtos Automotivos
Após a otimização é necessário fazer a validação do produto segundo normas e procedimentos
Durante a validação o estudo de fadiga é de extrema importância para entender o comportamento de componentes submetidos a carregamentos cíclicos
Para a maior precisão do resultados de fadiga tem-se investigado a influência do processo de fabricação na entrada de dados da análise
Alguns dos processos que exercem influência:
Injeção de polímeros
Conformação mecânica (estampagem, forjamento)
Fundição
A otimização proporciona:
A redução dos custos do produto pela redução de material
O aumento da eficiência do sistema - componentes mais leves
A diminuição do nível de tensão (otimização de forma) - aumento da durabilidade
1. Introdução
5II Seminário: A Otimização de Produtos Automotivos
Abaixo um exemplo da influência da consideração da deformação plástica residual do processo de estampagem no estudo de fadiga para determinar o número de ciclos de um componente
O objetivo do presente trabalho é mostrar a influência do processo de fundição na análise de fadiga de um componente automotivo otimizado
Sem considerar processo
Considerando processo
1. Introdução
2. Metodologia
3. Configuração da análise
• Modelo de estudo
• Material e propriedades
• Restrições e carregamentos
4. Resultados
• Análise estática
• Otimização topológica
• Análise de processo
• Otimização de forma
• Análise de fadiga
5. Discussões dos resultados
6II Seminário: A Otimização de Produtos Automotivos
2. Metodologia
Pré-Processamento
Análise Estática
Otimização Topológica
Análise de Processo
Análise de Fadiga
Critérios de Fadiga Atendidos?
Design Final
Sim
Otimização de FormaNão
Otimização de forma integrada a análise de fadiga, com entrada de parâmetros de processo
II Seminário: A Otimização de Produtos Automotivos7
Parâmetros de processo (ruptura, elasticidade, etc)
Metodologia de trabalho
Modelo de Estudo
1. Introdução
2. Metodologia
3. Configuração da análise
• Modelo de estudo
• Material e propriedades
• Restrições e carregamentos
4. Resultados
• Análise estática
• Otimização topológica
• Análise de processo
• Otimização de forma
• Análise de fadiga
5. Discussões dos resultados
8II Seminário: A Otimização de Produtos Automotivos
Modelo de estudo – steering knuckle
Componente da suspensão dianteira veicular
3. Configuração da Análise
9II Seminário: A Otimização de Produtos Automotivos
Knuckle
Fonte: 3dcontentcentral.com
Material e propriedades
10II Seminário: A Otimização de Produtos Automotivos
Propriedade Simbologia Valor Unidade
Módulo de Elasticidade E 170000 MPa
Coeficiente de Poisson 0.29 -
Massa Específica 7.1e-9 ton/mm3
Tensão de Escoamento 0280 MPa
Limite de Resistência t400 MPa
Limite de Fadiga St140 MPa
GGG 40 (ASTM 536-84)
3. Configuração da Análise
Material e propriedades
11II Seminário: A Otimização de Produtos Automotivos
Curva de fadiga (SN) do material GGG40
Limite de fadiga = 140 MPaa 1.800.000 ciclos
Software:
3. Configuração da Análise
Restrições e carregamentos: análise estática
Análise com 3 carregamentos distintos: x, y e z
Consideração das amplitudes máximas das forças
Restrições iguais para os 3 casos
12II Seminário: A Otimização de Produtos Automotivos
FX = 1500 N
FY = 1500 N
FZ = 12000 N
Restrição nos furos: dispx=0, dispy=0, dispz=0
Restrição no nó (ligação com braço de controle): dispx=0, dispy=0, dispz=0 rotx≠0, roty≠0, rotz≠0
3. Configuração da Análise
Restrições e carregamentos: análise de fadiga
Amplitude variável, teste considerado em 1000 ciclos
Fatores de amplitude para as direções x, y e z
Carregamento multiaxial
13II Seminário: A Otimização de Produtos Automotivos
Fonte: SAE Suspension (SolidWorks Simulation)
Entrada do sinal de força
3. Configuração da Análise
Entrada das propriedades obtidas da simulação de processo na análise de fadiga
Limite de resistência
Tensão de escoamento
…
14II Seminário: A Otimização de Produtos Automotivos
3. Configuração da Análise
Valor da propriedade exportado para cada nó do modelo
Software:
1. Introdução
2. Metodologia
3. Configuração da análise
• Modelo de estudo
• Material e propriedades
• Restrições e carregamentos
4. Resultados
• Análise estática
• Otimização topológica
• Análise de processo
• Otimização de forma
• Análise de fadiga
5. Discussões dos resultados
15II Seminário: A Otimização de Produtos Automotivos
Análise estática
Tensão máxima principal [MPa]
16II Seminário: A Otimização de Produtos Automotivos
Software:
4. Resultados
FX = 1500 N
Singularidade na fixação
Análise estática
Tensão máxima principal [MPa]
17II Seminário: A Otimização de Produtos Automotivos
Software:
4. Resultados
FY = 1500 N
Análise estática
Tensão máxima principal [MPa]
18II Seminário: A Otimização de Produtos Automotivos
Software:
4. Resultados
FZ = 12000 N
Otimização topológica
19II Seminário: A Otimização de Produtos Automotivos
Software:
4. Resultados
Redução de peso = 20 %
Otimização topológica
20II Seminário: A Otimização de Produtos Automotivos
4. Resultados
GLv iew 3D Plugin
[topo.v tf]
Análise de processo
Limite de resistência [MPa]
21II Seminário: A Otimização de Produtos Automotivos
Software:
4. Resultados
Análise de processo
Limite de escoamento [MPa]
22II Seminário: A Otimização de Produtos Automotivos
Software:
4. Resultados
Otimização de forma
23II Seminário: A Otimização de Produtos Automotivos
Software:
4. Resultados
Redução de tensão = 23%
Step 0 Step 5
Otimização de forma
24II Seminário: A Otimização de Produtos Automotivos
4. Resultados
GLview 3D Plugin
[shape .vtf]
25II Seminário: A Otimização de Produtos Automotivos
Software:
4. Resultados
Análise de fadiga
Plotagem de dano (dano > 1 -> fadiga)
Otimização topológica Otimização topológica + forma
0.461.59
26II Seminário: A Otimização de Produtos Automotivos
4. Resultados
Análise de fadiga
Plotagem de dano (dano > 1 -> fadiga)
Software:
0.642.57
Otimização topológica Otimização topológica + forma
1. Introdução
2. Metodologia
3. Configuração da análise
• Modelo de estudo
• Material e propriedades
• Restrições e carregamentos
4. Resultados
• Análise estática
• Otimização topológica
• Análise de processo
• Otimização de forma
• Análise de fadiga
5. Discussões dos resultados
27II Seminário: A Otimização de Produtos Automotivos
A massa do modelo otimizado foi de 4.69 kg. A redução em relação ao modelo original foi significativa: 20 %
28II Seminário: A Otimização de Produtos Automotivos
5. Discussões dos Resultados
Redução = 20 %
Modelo Massa
Original 5.83 kg
Otimizado 4.69 kg
Pela análise de processo foi possível prever as variações dos limites de resistência mecânica no componente
Como a resistência mecânica varia para cada nó do modelo, as propriedades de fadiga também variam (limite de fadiga, inclinação da curva SN)
29II Seminário: A Otimização de Produtos Automotivos
5. Discussões dos Resultados
Valor da propriedade exportado para cada nó do modelo
Em relação à fadiga, o modelo da otimização topológica apresentou dano máximo igual a 2.57
Com a otimização de forma o valor caiu para 0.64, ficando menor que o limite igual a 1
30II Seminário: A Otimização de Produtos Automotivos
5. Discussões dos Resultados
0.642.57
Otimização topológica Otimização topológica + forma
Pelo gráfico é possível observar na região crítica do modelo a diferença obtida nos resultados quando se considera a entrada dos fatores de processo na análise de fadiga
31II Seminário: A Otimização de Produtos Automotivos
5. Discussões dos Resultados
Ponto do gráfico
32II Seminário: A Otimização de Produtos Automotivos
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Tel: (11) 4229-1349
www.virtualcae.com.br
33II Seminário: A Otimização de Produtos Automotivos
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