Pré-carga de parafusos no Workbench - ESSS
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Pré-carga de parafusos no Workbench - ESSS
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64.081 MPa<br />
ARTIGO TÉCNICO<br />
<strong>Pré</strong>-<strong>carga</strong> <strong>de</strong> <strong>parafusos</strong> <strong>no</strong> <strong>Workbench</strong><br />
O recurso “Bolt Pretension” é um bom exemplo da filosofia user-friendly presente <strong>no</strong> ambiente <strong>Workbench</strong><br />
Trabalhar com pré-<strong>carga</strong> em <strong>parafusos</strong> po<strong>de</strong> ser algo<br />
bem trabalhoso, especialmente pela dificulda<strong>de</strong> em<br />
se obter a força <strong>de</strong> pré-<strong>carga</strong>, produzida pelo torque<br />
<strong>de</strong> aperto. Existem vários métodos para se mo<strong>de</strong>lar esse<br />
fenôme<strong>no</strong>, incluindo análises térmicas para induzir tensões na<br />
estrutura ou mesmo criando elementos <strong>de</strong> viga conectados por<br />
elementos rígidos, submetidos a tensões compressivas.<br />
O recurso “Bolt Pretension” presente <strong>no</strong> ANSYS<br />
<strong>Workbench</strong>, permite ao engenheiro uma forma simples <strong>de</strong> se<br />
trabalhar, bastando somente especificar a força <strong>de</strong> aperto ou o<br />
ajuste <strong>de</strong> pré-<strong>carga</strong>. De fato, o uso do “Bolt Pretension” é<br />
bom exemplo da filosofia “user-friendly” presente <strong>no</strong><br />
ambiente <strong>de</strong> simulação do ANSYS <strong>Workbench</strong>.<br />
Como funciona?<br />
Dentro do ambiente <strong>de</strong> simulação, a face selecionada é<br />
usada como guia para o comando PSMESH. Isto significa que<br />
basta selecionar uma superfície cilíndrica para <strong>de</strong>finir a pré<strong>carga</strong>.<br />
Primeiramente, o ANSYS <strong>Workbench</strong> Simulation utiliza<br />
a meta<strong>de</strong> da face selecionada para fazer a divisão na malha e<br />
criar o elemento <strong>de</strong> pré-<strong>carga</strong>. A divisão da malha é feita através<br />
do comando PSMESH e o elemento <strong>de</strong> pré-<strong>carga</strong> PRETS179<br />
se encarrega <strong>de</strong> criar equações <strong>de</strong> restrição entre os<br />
<strong>de</strong>slocamentos das partes.<br />
1.Cálculo analítico da tensão <strong>de</strong> tração<br />
Dado o torque <strong>de</strong> aperto T, obtém-se a força <strong>de</strong> tração axial<br />
Fi pela seguinte equação:<br />
Com a força Fi, a tensão <strong>de</strong> tração obtida <strong>no</strong> parafuso é<br />
, sendo<br />
Para o padrão ISO:<br />
On<strong>de</strong> d é o diâmetro exter<strong>no</strong> e p o passo em mm.<br />
Efetuando o cálculo analítico em um parafuso M16x2.0x60 e<br />
admitindo-se Fi=10000 N, obtém-se:<br />
2. Cálculo da tensão <strong>de</strong> tração <strong>no</strong> <strong>Workbench</strong><br />
O procedimento para a validação do cálculo analítico <strong>no</strong><br />
<strong>Workbench</strong> é bem simples, bastando<br />
mo<strong>de</strong>lar a geometria do parafuso e aplicar<br />
o BOLT. É importante salientar que,<br />
para obter a equivalência entre os mo<strong>de</strong>los,<br />
é importante ajustar o diâmetro<br />
do parafuso, <strong>de</strong> acordo com a relação:<br />
www.esss.com.br<br />
Diâmetro Médio:<br />
O resultado obtido é:<br />
63.714 MPa<br />
63.995 MPa<br />
Uma forma não usual mas possível <strong>de</strong> se validar o cálculo<br />
analítico <strong>de</strong> pré-<strong>carga</strong> é através <strong>de</strong> uma análise<br />
termomecânica. Nesta metodologia, a temperatura é ajustada<br />
<strong>de</strong> tal forma que o campo térmico induza tensões similares à<br />
tensão mecânica obtida analiticamente. O parafuso é dividido<br />
em três componentes, on<strong>de</strong> o componente central terá<br />
temperatura negativa e os <strong>de</strong>mais componentes <strong>de</strong>verão ter<br />
temperatura ambiente, para não gerar tensões residuais.<br />
Este método é <strong>de</strong> tentativa e erro, pois além da<br />
temperatura, a rigi<strong>de</strong>z da junta é fundamental para o cálculo da<br />
tensão, po<strong>de</strong>ndo variar muito com o simples fato <strong>de</strong> mudar as<br />
condições <strong>de</strong> contor<strong>no</strong> <strong>no</strong> mo<strong>de</strong>lo.<br />
Resultados obtidos na análise termomecânica:<br />
63.040 MPa<br />
63.065 MPa
Vamos imaginar agora uma situação on<strong>de</strong> temos o<br />
interesse <strong>de</strong> simular uma estrutura com muitos <strong>parafusos</strong>.<br />
Como é sabido, simular o problema com uma boa malha em<br />
todos os <strong>parafusos</strong> terá um custo computacional muito<br />
elevado. Nesses casos, é possível adotar outra metodologia,<br />
excluindo o parafuso em si e unindo as partes através <strong>de</strong><br />
elementos <strong>de</strong> vigas, conectadas por elementos rígidos nas<br />
extremida<strong>de</strong>s.<br />
Todo o <strong>de</strong>senvolvimento é feito através <strong>de</strong> uma macro,<br />
on<strong>de</strong> cada parte é interligada por um “chuveiro” <strong>de</strong> rígidos a<br />
elemento MPC184, especificamente na região central do furo.<br />
Entre os dois elementos rígidos, é colocado um elemento <strong>de</strong><br />
viga, o LINK10. Em cada extremida<strong>de</strong> da viga é aplicada uma<br />
força F, com direções opostas. Essa força F <strong>de</strong>ve ser<br />
encontrada na tentativa e erro para cada mo<strong>de</strong>lo.<br />
Uma segunda macro é adicionada na seção <strong>de</strong> postprocessing,<br />
com a finalida<strong>de</strong> <strong>de</strong> obter a tensão axial <strong>de</strong> tração<br />
<strong>no</strong> elemento viga e exportar esse valor para um arquivo .txt,<br />
localizado <strong>de</strong>ntro da pasta <strong>de</strong> resultados do Worbench.<br />
Resultados:<br />
63.912 MPa<br />
ESEL,S,TYPE,,101 ! Seleciona o elemento 101<br />
etable,SAXL,LS,1 ! Obtém a tensão axial <strong>no</strong> elemento e salva em<br />
uma TALBE<br />
SSUM<br />
*get,ten_axial,ssum,0,item,SAXL ! Cria uma variável TEN_AXIAL com<br />
o valor <strong>de</strong> tensão<br />
parsav,scalar,Tensao_Axial,txt ! Exporta o parâmetro TEN_AXIAL<br />
para um arquivo .txt<br />
ALLSEL,ALL<br />
É importante lembrar que o elemento LINK10 não transmite<br />
momento e, caso <strong>de</strong>seja-se este efeito, po<strong>de</strong>-se substituí-lo<br />
por um elemento <strong>de</strong> viga, tal como o BEAM189.<br />
Neste presente artigo, apresentou-se algumas formas <strong>de</strong><br />
mo<strong>de</strong>lagem <strong>de</strong> pré-<strong>carga</strong> em <strong>parafusos</strong>. Utilizando o<br />
www.esss.com.br<br />
/prep7<br />
ET,100,MPC184<br />
KEYOPT,100,1,1<br />
ET,101,LINK10<br />
KEYOPT,101,2,1<br />
KEYOPT,101,3,1<br />
R,101,156.68,1e-8<br />
ARTIGO TÉCNICO<br />
*get,max<strong>no</strong><strong>de</strong>,<strong>no</strong><strong>de</strong>,0,num,max ! Maior número <strong>de</strong> nó <strong>de</strong>ntro do<br />
mo<strong>de</strong>lo<br />
mast<strong>no</strong><strong>de</strong>=max<strong>no</strong><strong>de</strong>+1<br />
csys,12 ! Seleciona o sistema <strong>de</strong> coor<strong>de</strong>nadas 12<br />
n,mast<strong>no</strong><strong>de</strong>,0,0,0 ! Primeiro MASTER NODE<br />
csys,0 ! Volta para o sistema <strong>de</strong> coor<strong>de</strong>nadas Global<br />
cmsel,s,Furo_1,<strong>no</strong><strong>de</strong> ! Seleciona os nós do Furo_1<br />
nsel,a,<strong>no</strong><strong>de</strong>,,mast<strong>no</strong><strong>de</strong> ! Seleciona também o mast<strong>no</strong><strong>de</strong><br />
type,100 ! Seleciona o tipo 100: MPC184<br />
*get,maior,<strong>no</strong><strong>de</strong>,0,num,max ! Maior número <strong>de</strong> nó <strong>de</strong>ntro da seleção<br />
atual<br />
*get,me<strong>no</strong>r,<strong>no</strong><strong>de</strong>,0,num,min ! Me<strong>no</strong>r número <strong>de</strong> nó <strong>de</strong>ntro da seleção<br />
atual<br />
*do,info,me<strong>no</strong>r,maior,1<br />
*get,vivo,<strong>no</strong><strong>de</strong>,info,nsel ! Informa se o nó número (cont) está<br />
selecionado ou não<br />
*if,vivo,eq,1,and,mast<strong>no</strong><strong>de</strong>,ne,info,then ! Não é possível ligar o<br />
rígido com o master <strong>no</strong><strong>de</strong><br />
e,mast<strong>no</strong><strong>de</strong>,info ! Cria o grupo <strong>de</strong> rígidos<br />
*endif<br />
*enddo<br />
allsel,all ! Volta a selecionar todo o mo<strong>de</strong>lo<br />
mast<strong>no</strong><strong>de</strong>3=mast<strong>no</strong><strong>de</strong>+1 ! Cria o segundo MASTER NODE<br />
csys,13 ! Seleciona o sistema <strong>de</strong> coor<strong>de</strong>nadas 13<br />
n,mast<strong>no</strong><strong>de</strong>3,0,0,0 ! Segundo MASTER NODE<br />
csys,0 ! Volta para o sistema <strong>de</strong> coor<strong>de</strong>nadas Global<br />
cmsel,s,Furo_3,<strong>no</strong><strong>de</strong> ! Seleciona os nós do Furo_3<br />
nsel,a,<strong>no</strong><strong>de</strong>,,mast<strong>no</strong><strong>de</strong>3 ! Seleciona também o mast<strong>no</strong><strong>de</strong>3<br />
type,100 ! Seleciona o tipo 100: MPC184<br />
*get,maior,<strong>no</strong><strong>de</strong>,0,num,max ! Maior número <strong>de</strong> nó <strong>de</strong>ntro da seleção<br />
atual<br />
*get,me<strong>no</strong>r,<strong>no</strong><strong>de</strong>,0,num,min ! Me<strong>no</strong>r número <strong>de</strong> nó <strong>de</strong>ntro da seleção<br />
atual<br />
*do,info,me<strong>no</strong>r,maior,1<br />
*get,vivo,<strong>no</strong><strong>de</strong>,info,nsel ! Informa se o nó número (cont) está<br />
selecionado ou não<br />
*if,vivo,eq,1,and,mast<strong>no</strong><strong>de</strong>3,ne,info,then ! Não é possível ligar o<br />
rígido com o master <strong>no</strong><strong>de</strong><br />
e,mast<strong>no</strong><strong>de</strong>3,info ! Cria o grupo <strong>de</strong><br />
rígidos<br />
*endif<br />
*enddo<br />
allsel,all ! Volta a selecionar todo o mo<strong>de</strong>lo<br />
type,101 ! Seleciona o tipo 101: LINK10<br />
real,101 ! Seleciona as constantes do elemento LINK10<br />
e,mast<strong>no</strong><strong>de</strong>,mast<strong>no</strong><strong>de</strong>3 ! Cria um elemento entre os MASTER<br />
NODES<br />
F,mast<strong>no</strong><strong>de</strong>,FZ,-19000 ! Aplica a Força1<br />
F,mast<strong>no</strong><strong>de</strong>3,FZ,19000 ! Aplica a Força2<br />
FINISH<br />
/SOLU<br />
<strong>Workbench</strong>, a facilida<strong>de</strong> <strong>de</strong> representar <strong>parafusos</strong> sem mo<strong>de</strong>lar<br />
a rosca é um gran<strong>de</strong> atrativo. A combinação <strong>de</strong> <strong>de</strong>tecção<br />
automática <strong>de</strong> contatos, gerador <strong>de</strong> malha otimizado e facilida<strong>de</strong><br />
<strong>no</strong> uso da ferramenta “Bolt Pretension”, faz da plataforma<br />
<strong>Workbench</strong> uma ferramenta muito intuitiva e produtiva.