Pré-carga de parafusos no Workbench

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.