Cilíndro de Mergulho

8/17/2019 Cilíndro de Mergulho

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UNIVERSIDADE DE SÃO PAULOEscola de Engenharia de São Carlos

Departamento de Engenharia Mecânica

São Carlos, dezembro de 2013.

SEM0391 - Engenharia Auxiliada Por Computador (CAE)

“ANÁLISE DE ESFORÇOS EM UM CILÍNDRO DE MERGULHO NOSOFTWARE ANSYS ”

Nomes: N° USP:Sofia Catarina Cravo Dias Russo 7279564Tamiris de Paula Anjoletto 7279672

Professor:

Ernesto Massaroppi Junior



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Resumo

Este trabalho orienta e realiza uma análise dos esforços e deformações em um

cilindro de mergulho. Foram simulados os esforços em que um cilindro de mergulho de ligade alumínio é submetido, considerando-se somente a pressão interna realizada pelooxigênio e outra análise considerado um mergulho de 40 metros de profundidade na água,típico de mergulhos técnicos. O desenho do cilindro é apresentado com cotas regrado emmodelos industriais, com base no modelo vendido pela empresa Luxfer, porém devidassimplificações foram realizadas em decorrência da licença utilizada no software. O métodoutilizado foi o axissimétrico, bastante comum na análise por elementos finitos de vasos depressão.

Palavras-chave: Análise, estática, Ansys, mergulho, scuba, cilíndro.



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SumárioOBJETIVOS ............................................................................................................................................................... 6

PRODUTO[1, 2] ........................................................................................................................................................... 6

Especificações ..................................................................................................................................................... 6

Material ............................................................................................................................................................... 8

Requisitos e solicitações ..................................................................................................................................... 9

ANÁLISE[3,4,5] .......................................................................................................................................................... 10

Pré-processador ................................................................................................................................................ 10

Solução .............................................................................................................................................................. 11

Pós-processador ................................................................................................................................................ 11

CONCLUSÃO .......................................................................................................................................................... 14

REFERÊNCIAS ......................................................................................................................................................... 14



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OBJETIVOSO principal objetivo é o cálculo dos esforços, por meio do software Ansys, de um

produto simulando suas solicitações usuais de serviço. Para isto foi definido o produto, suageometria, adaptações para o uso no software e malha. O método de análise também foiespecificado juntamente aos esforços empregados.

PRODUTO[1, 2]

Espec if ic ações

A peça escolhida foi um cilíndro de mergulho, peça única fabricada por extrusão, semnecessidade de soldagem. Este produto requer grande confiabilidade, pois sua falha podecomprometer vidas o que torna seu controle bastante rigoroso. Todas as peças são testadasnas condições de uso e algumas (1 a cada 200) são submetidas a testes destrutivos. Estesúltimos são testes de tração e compressão, o primeiro teste consiste na remoção de umcorpo de prova na própria peça (sentido longitudinal) para determinar sua tensão de ruptura

e outras propriedades. O cilíndro analisado foi o de modelo fabricado pela empresa Luxferde especificação DOT 3AL/ TC-3ALM e modelo L045, ver figura 1 e tabela 1, este modelo decilíndro custa por volta de $200.

Figura 1: Modelos de cilindro de mergulho, fabricados em liga de alumínio pela empresaLuxfer (Fonte: http://www.luxfercylinders.com/products/scba-and-life-support-cylinders/191-

l6x-all-aluminum-cylinder-specifications).





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Figura 3: Desenho em CAD do cilindro de mergulho escolhido, realizado no software Solid

Edge ST2.

Material

O material empregado na construção deste cilíndro é a liga de alumínio AA6351, depropriedades indicadas na tabela 2 e composição está contida na tabela 3. Sua aplicaçãomais comum é em tubos e canos, principalmente por sua alta resistência à corrosão,proporcionada pela camada de óxido. Seu módulo elástico varia de 70 à 80GPa e tensão deescoamento de 150MPa.



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Tabela 2: Propriedades da liga de Alumínio AA6351 (Fonte:http://www.efunda.com/materials/alloys/aluminum/show_aluminum.cfm?ID=AA_6351&prop=

all&Page_Title=AA%206351).

Tabela 3: Composição da liga de Alumínio AA6351 (Fonte:http://www.efunda.com/materials/alloys/aluminum/show_aluminum.cfm?ID=AA_6351&prop=

all&Page_Title=AA%206351).

Requ isi to s e so lic itações

O cilíndro possui capacidade de até 10.3 litros e suporta pressões internas de até21.6MPa. A carga utilizada será 20MPa pois aproximações serão feitas na geometria doproduto, o que reduz parcialmente a acuracidade da simulação. Serão obtidos doisresultados, fora da água e outro abaixo da água simulando uma profundidade típica de ummergulho técnico de até 40m.



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ANÁLISE[3,4,5]

Pré-pro cessador

Primeiramente, definiu-se a análise como estrutural, em seguida foi criada uma área

que dá origem a peça por axissimetria. Foram feitas simplificações quanto a geometria poiso software utilizado possuía licensa acadêmica, que limita o número de elementos a seremcriados, portanto alguns arredondamentos e furos foram desconsiderados. A área foi criadautilizando-se comandos de adição de retângulos e círculos e ainda operações de subtraçãode algumas áreas, para que a peça tomasse a forma de uma casca, conforme ilustra a figura4. O tipo de elemento foi definido como um sólido de 8 nós (PLANE82) e posteriormente foiselecionada a opção de comportamento axissimétrico. Foram definidas as propriedades domaterial conforme a tabela 2 apresenta, coeficiente de Poisson equivalente a 0.33 e MóduloElástico de 80000MPa. É importante notar que o Ansys APDL não reconhece unidades,requerindo do usuário utilizá-las compatívelmente, para o caso as dimensões utilizadasseriam em milímetros e as tensões, pressões e módulo serão utilizados em Mega Pascal,

que equivale a Newton por milímetro quadrado. A malha foi definida pelo comando MeshTool selecionando a opção smartsize na opção 4, pois a geometria do cilíndro érelativamente simples e não precisaria de refino, ver figura 4.

Figura 4: Seção do cilindro de mergulho com malha.



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Solução

Foi escolhida uma análise estrutural estática, e pelo fato do tipo de análise seraxissimétrica, serão fixadas as duas linhas da esquerda da seção (que pertencem ao eixo y)usando-se o comando Symmetry B.C., que calcula automaticamente quais graus deliberdade devem ser restritos para o eixo. Por fim a pressão de 20MPa será aplicada por

todas as linhas internas da seção (ver figura 5). A peça pode ser visualizada como um sólidose utilizado o comando:PlotCtrls> Style> Symmetry Expansion> 2-D Axisymetric...> Full expansion> OK.

Figura 5: Seção do cilindro após aplicar-se os carregamentos e restrições.

Pós-processador

As figura 6, 7 e 8 mostram plotados: distribuição de tensão principal (Primeira tensãoPrincipal) pela seção da peça, detalhe em ¾ do volume e tensão von Mises,respectivamente. A figura 9 mostra a deformação máxima sofrida pela peça como sendo0,001658 (adimensional, pois é calculada pela variação dividida pela dimensão inicial),sendo relativamente pequena.



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Figura 6: Distribuição de tensões na seção da peça.

Figura 7:Detalhe das tensões internas do fundo do cilindro de mergulho.



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Figura 8: Distribuição de tensões von Mises na peça (3/4 do volume plotado).

Figura 9: Deformações sofridas pelo cilindro após o carregamento.

Para o caso do cilíndro abaixo da água foi considerado uma pressão externa de0.5MPa (1bar somado a 4bar da profundidade na água). O resultado obtido pode ser visto

na figura 10, que representa as tensões von Mises na peça.



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Figura 10: Tensão Von Mises no cilindro a 40m abaixo da água com pressão interna de20MPa.

CONCLUSÃOÉ possível concluir que as máximas tensões obtidas (por volta de 145MPa) se

aproximam da tensão de escoamento da peça, que é 150MPa, o que necessitaria de um

reprojeto da peça para tornar seu uso mais seguro ou uma simulação de maior precisão,mesmo que a deformação sofrida seja relativamente reduzida. Comparando o cilíndro aonível do mar e a 40m abaixo da água, temos que a profundidade reduz as tensões em que ocilíndro é submetido, pois são de sentido contrário à pressão que o gás contido no cilíndrorealiza. Também é possível observar que o topo e fundo do cilíndro são menos solicidadosque a parede lateral, sugerindo-se um reprojeto para aumentar a espessura das paredes. Epor fim tem-se que as tensões críticas não se localizam na região em que há o furo para opreenchimento do cilíndro com ar, em decorrência da simplificação da geometria da peçapois o furo foi removido, contudo esta é uma região de grande propensão de aparecimentode trincas. A análise por elementos finitos é bastante importante na simulação de produtosantes destes serem fabricados, o que é economicamente favorável para empresas, pois é

relativamente oneroso o desenvolvimento de protótipos que muitas vezes precisam de novosferramentais ou mesmo máquinas e que nem sempre resultam em produtos satisfatórios eocosionando gastos cíclicos em reprojetos.

REFERÊNCIAS[1]< www.luxfercylinders.com>, acessado em dezembro de 1013.[2]<http://www.efunda.com/materials/alloys/aluminum/show_aluminum.cfm?ID=AA_6351&pr op=all&Page_Title=AA%206351>, acessado em dezembro de 2013.[3]<http://www.mbari.org/education/internship/98interns/98internpapers/98heckman.html>,acessado em novembro de 2013.

[4]<http://www.mece.ualberta.ca/tutorials/ansys/IT/Axisymmetric/Axisymmetric.html>,acessado em novembro de 2013.



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[5]EVANGELISTA, S. H. Aulas tutoriais de análises ANSYS. Disciplina SEM5895, ElementosFinitos I: Análise de Problemas Lineares, Novembro de 2008.

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