Pré-carga de parafusos no Workbench
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ARTIGO TÉCNICO Pré-carga de parafusos no Workbench O recurso “Bolt Pretension” é um bom exemplo da filosofia user-friendly presente no ambiente Workbench T rabalhar com pré-carga em parafusos pode ser algo bem trabalhoso, especialmente pela dificuldade em se obter a força de pré-carga, produzida pelo torque de aperto. Existem vários métodos para se modelar esse fenômeno, incluindo análises térmicas para induzir tensões na estrutura ou mesmo criando elementos de viga conectados por elementos rígidos, submetidos a tensões compressivas. O recurso “Bolt Pretension” presente no ANSYS Workbench, permite ao engenheiro uma forma simples de se trabalhar, bastando somente especificar a força de aperto ou o ajuste de pré-carga. De fato, o uso do “Bolt Pretension” é bom exemplo da filosofia “user-friendly” presente no ambiente de simulação do ANSYS Workbench. Como funciona? Dentro do ambiente de simulação, a face selecionada é usada como guia para o comando PSMESH. Isto significa que basta selecionar uma superfície cilíndrica para definir a précarga. Primeiramente, o ANSYS Workbench Simulation utiliza a metade da face selecionada para fazer a divisão na malha e criar o elemento de pré-carga. A divisão da malha é feita através do comando PSMESH e o elemento de pré-carga PRETS179 se encarrega de criar equações de restrição entre os deslocamentos das partes. O resultado obtido é: 63.714 MPa 63.995 MPa Uma forma não usual mas possível de se validar o cálculo analítico de pré-carga é através de uma análise termomecânica. Nesta metodologia, a temperatura é ajustada de tal forma que o campo térmico induza tensões similares à tensão mecânica obtida analiticamente. O parafuso é dividido em três componentes, onde o componente central terá temperatura negativa e os demais componentes deverão ter temperatura ambiente, para não gerar tensões residuais. Este método é de tentativa e erro, pois além da temperatura, a rigidez da junta é fundamental para o cálculo da tensão, podendo variar muito com o simples fato de mudar as condições de contorno no modelo. 1.Cálculo analítico da tensão de tração Dado o torque de aperto T, obtém-se a força de tração axial Fi pela seguinte equação: Com a força Fi, a tensão de tração obtida no parafuso é , sendo Para o padrão ISO: Onde d é o diâmetro externo e p o passo em mm. Efetuando o cálculo analítico em um parafuso M16x2.0x60 e admitindo-se Fi=10000 N, obtém-se: 2. Cálculo da tensão de tração no Workbench O procedimento para a validação do cálculo analítico no Workbench é bem simples, bastando modelar a geometria do parafuso e aplicar o BOLT. É importante salientar que, para obter a equivalência entre os modelos, é importante ajustar o diâmetro do parafuso, de acordo com a relação: Diâmetro Médio: www.esss.com.br Resultados obtidos na análise termomecânica: 64.081 MPa 63.040 MPa 63.065 MPa ARTIGO TÉCNICO Vamos imaginar agora uma situação onde temos o interesse de simular uma estrutura com muitos parafusos. Como é sabido, simular o problema com uma boa malha em todos os parafusos terá um custo computacional muito elevado. Nesses casos, é possível adotar outra metodologia, excluindo o parafuso em si e unindo as partes através de elementos de vigas, conectadas por elementos rígidos nas extremidades. Todo o desenvolvimento é feito através de uma macro, onde cada parte é interligada por um “chuveiro” de rígidos a elemento MPC184, especificamente na região central do furo. Entre os dois elementos rígidos, é colocado um elemento de viga, o LINK10. Em cada extremidade da viga é aplicada uma força F, com direções opostas. Essa força F deve ser encontrada na tentativa e erro para cada modelo. Uma segunda macro é adicionada na seção de postprocessing, com a finalidade de obter a tensão axial de tração no elemento viga e exportar esse valor para um arquivo .txt, localizado dentro da pasta de resultados do Worbench. /prep7 ET,100,MPC184 KEYOPT,100,1,1 ET,101,LINK10 KEYOPT,101,2,1 KEYOPT,101,3,1 R,101,156.68,1e-8 *get,maxnode,node,0,num,max ! Maior número de nó dentro do modelo mastnode=maxnode+1 csys,12 ! Seleciona o sistema de coordenadas 12 n,mastnode,0,0,0 ! Primeiro MASTER NODE csys,0 ! Volta para o sistema de coordenadas Global cmsel,s,Furo_1,node ! Seleciona os nós do Furo_1 nsel,a,node,,mastnode ! Seleciona também o mastnode type,100 ! Seleciona o tipo 100: MPC184 *get,maior,node,0,num,max ! Maior número de nó dentro da seleção atual *get,menor,node,0,num,min ! Menor número de nó dentro da seleção atual *do,info,menor,maior,1 *get,vivo,node,info,nsel ! Informa se o nó número (cont) está selecionado ou não *if,vivo,eq,1,and,mastnode,ne,info,then ! Não é possível ligar o rígido com o master node e,mastnode,info ! Cria o grupo de rígidos *endif *enddo allsel,all ! Volta a selecionar todo o modelo mastnode3=mastnode+1 ! Cria o segundo MASTER NODE csys,13 ! Seleciona o sistema de coordenadas 13 n,mastnode3,0,0,0 ! Segundo MASTER NODE csys,0 ! Volta para o sistema de coordenadas Global cmsel,s,Furo_3,node ! Seleciona os nós do Furo_3 nsel,a,node,,mastnode3 ! Seleciona também o mastnode3 Resultados: 63.912 MPa ESEL,S,TYPE,,101 ! Seleciona o elemento 101 etable,SAXL,LS,1 ! Obtém a tensão axial no elemento e salva em uma TALBE SSUM *get,ten_axial,ssum,0,item,SAXL ! Cria uma variável TEN_AXIAL com o valor de tensão parsav,scalar,Tensao_Axial,txt ! Exporta o parâmetro TEN_AXIAL para um arquivo .txt ALLSEL,ALL É importante lembrar que o elemento LINK10 não transmite momento e, caso deseja-se este efeito, pode-se substituí-lo por um elemento de viga, tal como o BEAM189. Neste presente artigo, apresentou-se algumas formas de modelagem de pré-carga em parafusos. Utilizando o www.esss.com.br type,100 ! Seleciona o tipo 100: MPC184 *get,maior,node,0,num,max ! Maior número de nó dentro da seleção atual *get,menor,node,0,num,min ! Menor número de nó dentro da seleção atual *do,info,menor,maior,1 *get,vivo,node,info,nsel ! Informa se o nó número (cont) está selecionado ou não *if,vivo,eq,1,and,mastnode3,ne,info,then ! Não é possível ligar o rígido com o master node e,mastnode3,info ! Cria o grupo de rígidos *endif *enddo allsel,all ! Volta a selecionar todo o modelo type,101 ! Seleciona o tipo 101: LINK10 real,101 ! Seleciona as constantes do elemento LINK10 e,mastnode,mastnode3 ! Cria um elemento entre os MASTER NODES F,mastnode,FZ,-19000 ! Aplica a Força1 F,mastnode3,FZ,19000 ! Aplica a Força2 FINISH /SOLU Workbench, a facilidade de representar parafusos sem modelar a rosca é um grande atrativo. A combinação de detecção automática de contatos, gerador de malha otimizado e facilidade no uso da ferramenta “Bolt Pretension”, faz da plataforma Workbench uma ferramenta muito intuitiva e produtiva.
