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8/7/2019 SolidWorks X.pdf análise de tensões
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Introdução ao SolidWorks (X): Análise de Tensões
de Peças - Simulat ionXpress
João Manuel R. S. TavaresJoaquim Oliveira Fonseca
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@2009 JST/JOF CFAC: Introdução ao SolidWorks (X): Análise de Tensões de Peças - SimulationXpress 2
O SolidWorks SimulationXpress é um software de análise estrutural totalmente integrado noSolidWorks .
O SolidWorks SimulationXpress faz testes de
simulação do funcionamento do componente.Permitindo responder a questões tais como: éresistente, é eficiente, e o seu desenho éeconómico?
O SolidWorks SimulationXpress é utilizado porestudantes, projectistas, engenheiros e outrosprofissionais para realizar peças eficientes e
económicas.
Análise por SolidWorks SimulationXpress
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Ciclo Tradicional de Design
Utiliza-se o SolidWorks para criar
um modelo; Produz-se um protótipo;
Realizam-se testes do protótipo
em várias condições de carga.Em alguns casos é necessária aaplicação de sistemas de leiturade resultados nestes testes.
Com base nos resultados,efectuam-se alterações nomodelo, constrói-se um novoprotótipo, e vai-se verificando atéque este satisfaça os requisitos.
SolidWorks
Protótipo
Teste
Satisfaz?
Produção
Não
Sim
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Análise Computacional de Peças
Os ciclos de desenvolvimento são caros e longos;
A análise computacional permite reduzir onúmero de ciclos de desenvolvimento;
A análise reduz o custo por teste, uma vez quepermite aproximar o modelo, usando cálculos decomputador, diminuindo o número de ensaios;
A análise reduz o tempo de entrada no mercado; A análise ajuda a optimizar o design simulando
rapidamente muitos conceitos e cenários antesda tomada de uma decisão final.
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Análise por Elementos Finitos
Soluções analíticas só estão disponíveis para
problemas simples. Estas soluções fazem algumassimplificações e podem não prever alguns casospráticos;
O SolidWorks SimulationXpress utiliza o Finite
Element Method (FEM).A análise que usa o FEM é chamada de Finite Element Analysis (FEA) ou Design Analysis ;
FEA é um programa muito utilizado. Permite resolver
problemas simples ou complicados; FEA é uma aplicação de computacional bem
sucedida sendo um método de análise preferido.
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Conceito geral de Design Analysis
O método FEM substitui um problema complexo porum conjunto de problemas simples. Divide o modeloem muitas peças pequenas (por exemplo, tetraedros)de formas simples, chamados elementos.
Modelo CAD Modelo CAD Model dividido num númerofinito de partes
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Conceito geral de Design Analysis
Os elementos utilizam pontos(comuns a vários) chamadosnós. O comportamento desteselementos é bem conhecido
em vários casos de carga; Os deslocamentos de cada nó
nas direcções X, Y, e Z étotalmente descrito. Estes
designam-se por graus deliberdade (DOF - degrees of freedom ). Cada nó tem 3DOF.
Nodes
Tetrahedral Element
(Nós)
(Elemento Tetraédrico)
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Conceito geral de Design Analysis
O SolidWorks SimulationXpress estabelece asequações que controlam o comportamento de cadaelemento tendo em conta as interacções com osoutros elementos;
Estas equações relacionam as incógnitas, porexemplo deslocamentos, na análise das tensões,tendo em conta as propriedades do material, ligaçõesao exterior e carregamentos;
De seguida o programa cria um sistema de equaçõescom base nestes parâmetros. Poderão existircentenas, milhares ou milhões de equações.
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Conceito geral de Design Analysis
Na análise estática, a resolução do
sistema de equações determina osdeslocamentos nas direcções X, Y, e Zde cada nó;
Após o cálculo dos deslocamentos em
cada nó, o programa vai calcular asdeformações nas várias direcções. Adeformação é a variação de comprimentoa dividir pelo comprimento original;
Finalmente o programa utiliza asequações estabelecidas para determinaras deformações e as tensões.
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(Deformação)
δL
L
Strain = (δL)/L
F
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Análise Estática de Tensões
Este é o tipo mais comum de análise. Assume umcomportamento linear do material e despreza asforças de inércia. É considerado que, retirando ocarregamento, o sólido retoma a sua forma original;
Calcula deslocamentos, deformações, tensões ereacções na ligação ao exterior;
O material entra em colapso quando as tensõesultrapassam um determinado valor. Materiais
diferentes entram em colapso a valores diferentes.Com a análise estática, pode-se controlar o colapsode muitos materiais.
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Análise Estática de Tensões
Quando uma carga é aplicada aum corpo, este tenta absorveresse efeito através da geração deforças internas de forma a que oseu efeito seja passado a outros
pontos; O efeito destas forças designam-
se por tensões (stress ). Tensão éa força por unidade de superfície;
A tensão num ponto é aintensidade da força numapequena área em volta desseponto.
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F
∆A
σ
P
P
σ = lim F/∆A∆A 0
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Tensor tensão
Um tensor tensão descreve a distribuição de tensões e
esforços internos nos meios contínuos. Um tensor detensão é totalmente caracterizado pelas seis componentes:
SX: Tensão Normal na direcção – X
SY: Tensão Normal na direcção – Y
SZ: Tensão Normal na direcção – Z
TXY: Tensão de Corte na
direcção - Y no plano YZ
TXZ: Tensão de Corte na direcção - Z no plano YZ
TYZ: Tensão de Corte na direcção - Z no plano XZ
Uma tensão positiva indica tracção e negativa indica compressão.
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Tensões Principais
As tensões de cortedesaparecem em algumasdirecções. As tensõesnormais a estas direcções
designam-se por tensõesprincipais:
P1: Tensão normal na primeiradirecção principal (maior);
P2: Tensão normal na segundadirecção principal (intermédia);
P3: Tensão normal na terceiradirecção principal (menor).
.
1
2
3
X
Y
Z
o
P2
P3
P1
Axes 1,2, and 3 are called principal
directions and the normal stresses
P1, P2, and P3 are called principalstresses.
Eixos 1, 2 e 3, são chamadosde direcções principais e astensões P1, P2 e P3 sãochamadas de tensõesprincipais
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Tensão de Von Mises
A tensão de Von Mises é um escalar positivo que
descreve o estado de tensão; Muitos materiais têm colapso quando a tensão de
Von Mises ultrapassa um determinado valor. A tensão de Von Mises é definida em termos das
tensões normais e de corte:
Em termos das tensões principais, a tensão de Von Mises é dada por:
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2 2 2( 1 2 )( 2 3) ( 3 1)
2vonmises
P P P P P Pσ
− + − + −=
2 2 2 2 2 2( ) ( ) ( ) 6 ( )
2vonmises
SX SY SX SZ SY SZ TXY TXZ TYZ σ
− + − + − + + +=
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Passos para a realização da Análise
1. Associar o material (De que é feito a peça?);
2. Especificar ligações (Que faces são fixas e nãovão ter qualquer deslocamento?);
3. Aplicar carregamento (Quais são as forças epressões que actuam sobre esta peça?);
4. Calcular as equações da análise;
5. Ver resultados (Qual é o factor de segurança?Quais são as deslocações e tensões resultantes?).
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Tipos de Análise adicionais
O SolidWorks SimulationXpress realiza a análise
linear estática de tensão em peças. Outrasferramentas de software , permite meios adicionaisde análise de peças e conjuntos;
O SolidWorks Simulation permite:
Análise Linear Estática de tensões em conjuntos; Análise não Linear Estática; Análise à Encurvadura; Análise com Cargas Cíclicas; Análise sobre Acções Térmicas;
Análise de Optimização; Análise Dinâmica; Análise de Fadiga; Análise ao Impacto.
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O SolidWorks SimulationXpress : Exemplo do Tutorial do
SWK.
Ex. Análise SolidWorks SimulationXpress
1. Peça a estudar;2. Pode haver necessidade
de quebrar superfíciespara definir ligações aoexterior oucarregamentos;
3. Definir o material:
Superfície fixa Força Verticalde 4000N
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1. Na FeatureManager tree , sobre o nome do
documento, botão direito do rato e seleccionarDocument Properties ;Aparece a caixa de diálogo Document Properties .
2. Clicar em Units ;
3. No quadro Unit system , seleccionar MKS (meter,kilogram, second );
4. Validar OK .
Ex. Análise SolidWorks SimulationXpress
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1. Seleccionar Edit Material na Standard toolbar .Aparece a caixa de diálogo Material Editor ;
2. Criar uma nova base de dados de material:a. Botão direito na área da
esquerda e New Library . Aparece
Aparece a caixa de diálogo Save As ;b. Escrever o nome para a nova base de dados de
material, por exemplo, MeuMaterial e fazer Save .3. Criar uma nova categoria de material:
a. Botão direito na área esquerda e New Category ;b. Escrever o nome para o material,
por exemplo, MaterialAço .
Ex. Análise SolidWorks SimulationXpress
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4. Criar um novo material usando Alloy Steel por
base: Abrir SolidWorks Materials , clicar no sinal + e
Steel botão direito em Alloy Steel e Copy ;
Botão direito na nova categoria acabada decriar e Paste; Botão direito na cópia de Alloy Steel,
seleccionar Rename e escrever o novo nome,
por exemplo, Aço1.
Ex. Análise SolidWorks SimulationXpress
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5. Para modificar as propriedades do material,em Properties , clique-pausa-clique no valorde cada propriedade e escrever os valores: Elastic modulus : 1.2e11;
Poisson's ratio : 0.3; Density : 7500; Yield strength : 5e8;
6. Clicar Save , Apply , e depois Close .O Aço1 é associado à peça.
Ex. Análise SolidWorks SimulationXpress
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1. Seleccionar o botão SimulationXpress Analysis ou
menu Tools , SimulationXpress ;
Ex. Análise SolidWorks SimulationXpress
2. Clicar Options .Aparece o ecrã;
3. Fixar o System of units para SI;
4. Clicar empara definir apasta para osresultados;
5. Activar Show annotation ;
6. Clicar Next ;
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Ex. Análise SolidWorks SimulationXpress
1. Verificar se o material da peça
é o pretendido;2. Clicar Next ;
3. Alterar o nome FixedLargeHole na árvore na caixa de diálogo;
4. Na área gráfica, seleccionar ofuro largo;Aparece Face<1> na caixa de diálogo.
5. Clicar Next ; Verificar se aparece
FixedLargeHole e ;6. Clicar Next ;
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Aplicar um carregamento:
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Ex. Análise SolidWorks SimulationXpress
1. Clicar Next ;
2. Seleccionar Force e clicar Next ;
3. Definir o nome ForçaVertical na
caixa de diálogo;4. Seleccionar a face a colocar acarga;
5. Clicar Next ;
6. Escolher normal to reference plane ;
7. Escolher o Top ;Aparece o plano TOP na caixa de diálogo.
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Ex. Análise SolidWorks SimulationXpress
8. Escrever 4000 para valor da
força e clicar Next ;Aparece ForçaVertical na caixade diálogo e o em Load ;
9. Clicar Next ;
(Aparece a caixa de diálogo Analyse .)
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Ex. Análise SolidWorks SimulationXpress
10.Clicar Yes (recommended)
para aceitar a geração demalha definida por omissão.Clicar Next ;
11.Clicar Run ;
Quando o cálculo está realizadoaparece em Analyse .Aparece caixa de diálogo Results .
Enquanto faz cálculos
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Aparece na caixa de diálogo FOS (menor factor de
segurança relativo à tensão de cedência) de 6.49443.
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Ex. Análise SolidWorks SimulationXpress
Se alterar FOS para 1 eclicar Show me . Aparecema vermelho as zonas que
apresentam FOS < 1.
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Para alterar a peça, fazer Close paravoltar ao editor normal.
Actualizar a simulação:
1. Seleccionar o botão SimulationXpress
Analysis ;2. Clicar em Update.
O passa a .
Ex. Análise SolidWorks SimulationXpress
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Realizar uma eDrawings para análise dos
resultados:
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Ex. Análise SolidWorks SimulationXpress
5. Clicar Close ;
6. Clicar Yes para guardar osdados.
Pode-se optarpor outras saídas
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Visualização da animação dos deslocamentos:
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Ex. Análise SolidWorks SimulationXpress
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