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CFAC: Introdução ao SolidWorks (X): Análise de Tensões
21-08-2009FEUP/DEMEGI-SDI
JOF/João Manuel R. S. Tavares 1
Introdução ao SolidWorks(X): Análise de Tensões
de Peças - SimulationXpress
João Manuel R. S. Tavares / JOF
@2009 João Tavares / JOF CFAC: Introdução ao SolidWorks (X): Análise de Tensões 2
� SolidWorks SimulationXpress é um software de análise estrutural totalmente integrado no SolidWorks.
� SolidWorks SimulationXpress faz testes de simulação do funcionamento do componente. Este permite responder a questões tais como: é resistente, é eficiente, e o seu desenho é económico?
� SolidWorks SimulationXpress é utilizado por estudantes, projectistas, engenheiros e outros profissionais para realizar peças eficientes e económicas.
Análise por SolidWorks SimulationXpress
CFAC: Introdução ao SolidWorks (X): Análise de Tensões
21-08-2009FEUP/DEMEGI-SDI
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@2009 João Tavares / JOF CFAC: Introdução ao SolidWorks (X): Análise de Tensões 3
Ciclo Tradicional de Design
� Utiliza-se o SolidWorks para criar o modelo.
� Produz-se um protótipo.
� Realizam-se testes do protótipo em várias condições de carga. Em alguns casos é necessária a aplicação de sistemas de leitura de resultados nestes testes.
� Com base nos resultados, efectuam-se alterações no modelo, constrói-se um novo protótipo, e vai-se verificando até que este satisfaça os requisitos.
SolidWorks
Protótipo
Teste
Satisfaz?
Produção
Não
Sim
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Benefícios da Análise de Peças
� Os ciclos de desenvolvimento são caros e longos.
� A análise computacional permite reduzir o número de ciclos de desenvolvimento.
� A análise reduz o custo por teste, uma vez que permite aproximar o modelo, usando cálculos de computador, 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 antes da tomada de uma decisão final.
CFAC: Introdução ao SolidWorks (X): Análise de Tensões
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Método de Análise por Elementos Finitos
� Soluções analíticas só estão disponíveis para problemas simples. Estas soluções fazem algumas simplificações e podem não prever alguns casos práticos.
� SolidWorks SimulationXpress utiliza o Finite ElementMethod (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 computador bem sucedida. É universalmente reconhecido como um método de análise preferido.
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Conceito geral de Design Analysis
� O método FEM substitui um problema complexo por um conjunto de problemas simples. Divide o modelo em muitas peças pequenas (por exemplo, tetraedros) de formas simples, chamados elementos.
Modelo CAD Modelo CAD Model dividido num número finito de partes
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Conceito geral de Design Analysis
� Os elementos utilizam pontos (comuns a vários) chamados nós. O comportamento destes elementos é bem conhecido em vários casos de carga.
� Os deslocamentos de cada nó nas direcções X, Y, e Z é totalmente descrito. Estes designam-se por graus de liberdade (DOF - degrees of freedom). Cada nó tem 3 DOF.
Nodes
Tetrahedral Element
Nós
Elemento Tetraédrico
Conceito geral de Design Analysis
� SolidWorks SimulationXpress escreve as equações que controlam o comportamento de cada elemento tendo em conta as interacções com os outros elementos.
� Estas equações relacionam as incógnitas, por exemplo deslocamentos, na análise das tensões, tendo em conta as propriedades do material, ligações ao exterior e carregamentos.
� De seguida o programa cria um sistema de equações com base nestes parâmetros. Poderão existir centenas, milhares ou milhões de equações.
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CFAC: Introdução ao SolidWorks (X): Análise de Tensões
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Conceito geral de Design Analysis
� Na análise estática, a resolução do sistema de equações determina os deslocamentos nas direcções X, Y, e Z de cada nó.
� Após o cálculo dos deslocamentos em cada nó, o programa vai calcular as deformações nas várias direc-ções. A deformação é a variação de comprimento a dividir pelo compri-mento original.
� Finalmente o programa utiliza equações para determinar as deformações e as tensões.
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Deformação
δL
L
Strain = (δL)/L
F
Análise Estática de Tensões
� Este é o tipo mais comum de análise. Assume um comportamento linear do material e despreza as forças de inércia. É considerado que, retirando o carregamento, o sólido retoma a sua forma original.
� Cálcula deslocamentos, deformações, tensões e reacções na ligação ao exterior.
� O material entra em colapso quando as tensões ultrapassam um determinado valor. Materiais diferentes entram em colapso a valores diferentes. Com a análise estática, pode-se controlar o colapso de muitos materiais.
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CFAC: Introdução ao SolidWorks (X): Análise de Tensões
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Análise Estática de Tensões
� Quando uma carga é aplicada a um corpo, este tenta absorver esse efeito através da geração de forças internas de forma a que o seu efeito seja passado a outros pontos.
� O efeito destas forças designam-se por tensões (stress). Tensão é a força por unidade de superfície.
� A tensão num ponto é a intensi-dade da força numa pequena área em volta desse ponto.
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F
∆A
σ
P
P
σ = lim F/∆A∆A 0
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O que é a Tensão
� Tensão é um tensor que descreve os valores e direcções para um determinado plano de referência. O tensor tensão 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
� Tensão positiva indica tracção e negativa indica compressão.
CFAC: Introdução ao SolidWorks (X): Análise de Tensões
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Tensões Principais
� As tensões de corte desapa-recem em algumas direc-ções. As tensões normais a estas direcções designam-se de tensões principais .
� P1: Tensão normal na primeira direcção principal (maior).
� P2: Tensão normal na segunda direcção principal (intermédia).
� P3: Tensão normal na terceira direcção principal (menor).
� .
1
2
3
X
Y
Z
o
P2
P3
P1Axes 1,2, and 3 are called principal directions and the normal stresses P1, P2, and P3 are called principal stresses.
Eixos 1, 2 e 3, são chamados de direcções principais e as tensões P1, P2 e P3 são chamadas de tensões principais
Tensão de Von Mises
� A tensão von Mises é um número escalar positivo que não tem direcção. Este descreve o estado de tensão por um número.
� 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 por:
� Em termos das tensões principais, a tensão de von Mises é dada por:
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VON12--- SX SY–( )2 SX SZ–( )2 SY SZ–( )2+ +[ ] 3 TXY2 TXZ2 TYZ2+ +( )+
1 2⁄( )=
VON12--- P1 P2–( )2
P1 P3–( )2P2 P3–( )2
+ +[ ]
1 2⁄( )=
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Passos para a realização da Análise
1. Associar o material. De que é feito esta peça?
2. Especificar ligações. Que faces são fixas e não vão ter qualquer deslocamento?
3. Aplicar carregamento. Quais são as forças e pressões 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
� SolidWorks SimulationXpress realiza a análise linear estática de tensão em peças. Outras ferramentas de software, permite meios adicionais de análise de peças e conjuntos.
� SolidWorks Simulation contém:� 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@2009 João Tavares / JOF CFAC: Introdução ao SolidWorks (X): Análise de Tensões 16
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@2009 João Tavares / JOF CFAC: Introdução ao SolidWorks (X): Análise de Tensões 17
� SolidWorks SimulationXpress : as apresentações se-guintes apresentam um exemplo do Tutorial do SWK.
Ex. Análise SolidWorks SimulationXpress
1. Peça a estudar.2. Pode haver neces-
sidade de quebrar superfícies para definir ligações ao exterior ou carrega-mentos. Material:
Superfície fixaForça Vertical de 4000N
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1. Na FeatureManager tree, sobre o nome do documento, botão direito do rato e seleccionar Document Properties .
2. Aparece a caixa de diálogo Document Properties .3. Clicar em Units .4. No quadro Unit system , seleccionar MKS (meter,
kilogram, second ).5. 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. Para criar uma nova base de dados de material:a. Botão direito na área da
esquerda e New Library . Aparece caixa de diálogo Save As .
b. Escreva o nome para a nova base de dados de material, por exemplo, MeuMaterial e fazer Save.
3. Para criar uma nova categoria de material:a. Botão direito na área esquerda e New Category .b. Escreva o nome para o material,
por exemplo, MaterialAço .
Ex. Análise SolidWorks SimulationXpress
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4. Para 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 de
criar 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 valor de cada propriedade e escrever os seguintes 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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Seleccionar o botão SimulationXpress Analysis ou botão Tools , SimulationXpress .
Ex. Análise SolidWorks SimulationXpress
1. Clicar Options . Aparece o ecrã
2. Fixar o System of units para SI.
3. Clicar em para definir a pasta para os resultados.
4. Activar Show annotation
5. Clicar Next
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Verificar se o material da peça é o pretendido.
Ex. Análise SolidWorks SimulationXpress
1. Clicar Next . 2. Alterar o nome FixedLargeHole
na árvore na caixa de diálogo.
3. Na área gráfica, seleccionar o furo largo. Aparece Face<1> na caixa de diálogo.
4. Clicar Next . Verificar se apa-rece FixedLargeHole e .
5. Clicar Next .
Para 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 a carga.
5. Clicar Next .6. Escolher normal to
reference plane .
7. Escolher o Top .
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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 caixa de diálogo e o em Load .
9. Clicar Next .
Aparece a caixa de diálogo Analyse .
Aparece a caixa de diálogo Analyze .
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Ex. Análise SolidWorks SimulationXpress
1. clicar Yes (recommended) para aceitar a geração de malha definida por omissão. Clicar Next .
2. Clicar Run .
Quando o cálculo está realiza-do aparece em Analyse . Aparece caixade diálogoResults .
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 8 e clicar Show me . Aparece a seguinte imagem. Zona a vermelho está acima de 8.
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Se alterarmos a peça, fazer Close para voltar ao editor normal.
Na árvore de criação editar o Cut-Extrude2 , e colocar Through All . A peça é alterada.
Seleccionar o botãoSimulationXpress Analysis .
ClicarUpdate
O passa
a
Ex. Análise SolidWorks SimulationXpress
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Para realizar uma eDrawings para análise dos resultados.
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Ex. Análise SolidWorks SimulationXpress
1. Clicar Next . Seleccionar No.
2. Clicar Next .
3. Seleccionar e Generate eDrawings . Clicar Next .
4. Aparece a caixa de diálogo SaveAs .
Dar nome ao ficheiro ou manter.
Para realizar uma eDrawings para análise dos resultados.
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Ex. Análise SolidWorks SimulationXpress
1. Clicar Close .
2. Clicar Yes para guardar os dados.
Pode-se optar por outras saídas