No domínio da análise de elementos finitos (FEA), compreender as conexões parafusadas é crucial para a integridade estrutural. Nosso post no blog, “Técnicas de Pré-Carga em Parafuso no ABAQUS”, explora esse aspecto crítico, visando equipar engenheiros e analistas com habilidades essenciais. Desde as bases teóricas até técnicas avançadas, o post oferece um guia abrangente tanto para analistas experientes quanto para iniciantes, prometendo insights para elevar a expertise em FEA. Junte-se a nós para apertar seus parafusos virtuais e explorar a tensão moldando simulações robustas de engenharia.
A imagem abaixo, extraída do Guia do Usuário de Análise do Abaqus, é um exemplo simples que ilustra o conceito de uma carga de montagem (pré-carga do parafuso).
O Container A é selado pela pré-carga dos parafusos que seguram a tampa, colocando a junta (gasket) sob pressão. Essa pré-carga é simulada no Abaqus/Standard adicionando uma “superfície de corte” ou seção de pré-carga (pre-tension section) no parafuso, e submetendo-o a uma carga de tração. Ao modificar os elementos de um lado da superfície, o Abaqus/Standard pode ajustar automaticamente o comprimento do parafuso na seção de pré-carga para alcançar a quantidade prescrita de pré-carga. Em etapas posteriores, mudanças adicionais de comprimento podem ser evitadas para que o parafuso atue como um componente deformável padrão respondendo a outras cargas na montagem.
Primeira Técnica: Seção de Pré-Tensão
Quando se trata de aplicar pré-carga de parafuso no Abaqus/Standard, o método convencional – embora não seja minha preferência pessoal – é frequentemente o escolhido. Essa técnica envolve aplicar pré-carga do parafuso em uma seção de pré-carga definida pelo usuário. A carga é na verdade aplicada em um nó de pré-carga associado a essa seção específica.
O Abaqus/Standard oferece flexibilidade na aplicação de cargas de pré-tensão do parafuso, acomodando fixadores modelados por elementos contínuos, de treliça ou de viga. Para o propósito desta discussão, exploraremos elementos contínuos, já que são a escolha predominante em 99% dos casos.
Seção de pré-tensão
Para elementos contínuos, a seção de pré-carga é definida como uma superfície dentro do fixador que o “corta” em duas partes.
Esta seção é definida pelas superfícies dos elementos, especificamente de um lado da seção designada. É importante notar que esses elementos, conhecidos como elementos subjacentes (underlying elements), desempenham um papel crucial na aplicação da pré-carga. Como prática recomendada, alinhar as superfícies dos elementos perpendicularmente ao eixo do parafuso é altamente recomendado.
Nó de pré-carga de controle
A carga de montagem é transmitida pela seção de pré-carga por meio do nó de pré-carga. Este não deve estar conectado a nenhum elemento no modelo. As coordenadas deste nó não são importantes.
Observe que há um sistema de coordenadas local automaticamente criado no nó de pré-carga com o eixo X (1) definido na direção normal à seção de pré-carga.
A seção de pré-tensão tem apenas um grau de liberdade (grau de liberdade 1, ou X), que representa o deslocamento relativo nos dois lados do corte na direção do normal.
O Abaqus/Standard calcula uma média normal à seção – na direção da superfície positiva, afastando-se dos elementos contínuos usados para gerar a superfície (Uderlying Elements) – para determinar a direção ao longo da qual a pré-carga é aplicada.
Aplicação da pré-carga
A pré-carga é transmitida pela seção de pré-carga por meio do nó de pré-carga.
Você pode aplicar uma carga concentrada ao nó de pré-carga. Esta carga é a força autoequilibrante carregada através da seção de pré-carga, atuando na direção do normal na parte do fixador subjacente à seção de pré-carga (a parte que contém os uderlying elements que foram usados na definição da seção de pré-carga).
Animação de pré-carga do parafuso
A animação abaixo nos ajuda a entender como funciona a pré-tensão do parafuso.
Observe que o comprimento do parafuso é reduzido ao modificar os elementos de um lado da seção de pré-carga (o lado dos uderlying elements).
O Abaqus/Standard ajusta automaticamente o comprimento do componente na seção de pré-carga para alcançar a quantidade prescrita de pré-carga. Esse ajuste é feito movendo os nós dos uderlying elements que estão na seção de pré-carga em relação aos mesmos nós quando aparecem nos outros elementos conectados à seção de pré-tensão. Como resultado, os uderlying elements aparecerão encolhidos, mesmo que carreguem tensões de tração quando uma pré-carga é aplicada.
Controle do nó de pré-carga durante a análise
Você pode manter o ajuste inicial da seção de pré-carga usando uma condição de contorno fixando os graus de liberdade em seus valores atuais no início de um step, uma vez que uma pré-carga inicial é aplicada no fixador; essa técnica permite que a carga através da seção de pré-carga mude de acordo com as cargas externas aplicadas para manter o equilíbrio. Se o ajuste inicial de uma seção não for mantido, a força no fixador permanecerá constante.
Contato do tipo Tie entre Parafuso e Porca
Quando o comprimento do parafuso é reduzido, uma força é gerada, empurrando a porca para fora do parafuso. Para controlar e restringir esse movimento, é crucial estabelecer um contato do tipo tie (Tie Contact) entre o parafuso e a porca.
Exemplo
A imagem abaixo mostra um exemplo comum de aplicação de pré-carga de parafuso: uma montagem de suporte, parafuso e espaçador.
Este método de montagem é comumente usado na suspensão dianteira de veículos. Por exemplo, o braço de controle superior e inferior (Upper and Lower Control Arm) se conectam à estrutura do veículo usando esse mecanismo, como mostrado abaixo destacado pelos círculos vermelhos.
Segunda Técnica: Com Conector do tipo Translator
Esta é a técnica que geralmente uso em meus projetos. Em vez de configurar uma seção de pré-carga, usamos um conector do tipo translator para conectar a porca e o parafuso. Em seguida, aplicamos uma carga de conector para mover a porca e alcançar a pré-carga desejada do parafuso.
Vamos percorrer as etapas para configurar nosso modelo com conector do tipo tranlator.
Criar acoplamento da porca
A etapa inicial é estabelecer um acoplamento (geralmente cinemático, kinematic coupling em inglês) que inclua todos os nós da superfície interna da porca, como ilustrado abaixo.
Criar acoplamento do parafuso
Além disso, precisamos criar outro acoplamento (coupling) que inclua os nós na superfície externa de um segmento do parafuso, especialmente na área onde a porca entra em contato com o parafuso.
Ajustar a posição do nó de referência do coupling
Depois de criar os couplings, certifique-se de alinhar os pontos de referência dos mesmos. Eles devem ficar no eixo do parafuso e um pouco distantes, cerca de 2 mm.
Além disso, ajuste os pontos de referência de tal forma que se aumentarmos a distância entre eles na direção axial provoque um deslocamento da porca na direção da cabeça do parafuso. Se isso parecer confuso, não se preocupe. Confira o vídeo vinculado a este post para um guia claro desta ideia.
Criar Conector de Tradução
Agora, prossiga para estabelecer um conector do tipo translator (translator connector) que conecte esses dois nós de referência.
Uma vez que você cria este conector, um sistema de coordenadas local é configurado automaticamente. O eixo X se alinha com a direção determinada por uma linha conectando os dois nós de referência.
Lembre-se (ou aprenda agora se for novo para você) que o conector do tipo translator tem apenas um grau de liberdade, a saber, o eixo X local mencionado anteriormente. Isso implica que os dois nós de referência só podem se mover nessa direção específica. Consequentemente, todos os outros graus de liberdade translacionais e rotacionais são fixados.
Dado isso, não há necessidade de simular o contato entre a porca e o parafuso. O contato do tipo Tie entre a porca e o parafuso, como fizemos anteriormente para a técnica da seção de pré-carga, é proibido, pois isso restringiria os movimentos relativos entre a porca e o parafuso.
Aplicar carga de conector
Para a etapa final, aplique a carga no conector do tipo translator. Aqui está um ponto-chave para se ter em mente: uma carga de conector positiva separa os nós, criando tensão. Por outro lado, uma carga negativa comprime os nós, puxando-os mais perto.
Em nossa montagem do modelo, aplique uma carga de conector positiva. Essa ação moverá os nós um para longe do outro, fazendo com que a porca se desloque em direção à cabeça do parafuso. Você pode ver isso demonstrado na animação abaixo.
Você pode manter o ajuste inicial dos nós de referência do acoplamento usando uma condição de contorno (*CONNECTOR MOTION) fixando o grau de liberdade 1 (X) em seu valor atual no início do próximo step, uma vez que uma pré-carga inicial é aplicada no parafuso.
Conclusão
Nesta exploração de técnicas de pré-carga de parafusos dentro do ABAQUS, percorremos o método convencional de usar uma seção de pré-carga e exploramos uma abordagem alternativa empregando um Conector do tipo Translator. Cada método tem seus méritos, atendendo a diferentes preferências e requisitos de projeto.
A primeira técnica, utilizando uma seção de pré-carga, oferece uma maneira sistemática de simular a pré-carga do parafuso. Ao definir uma superfície de corte e utilizar um nó de pré-carga, os engenheiros podem controlar precisamente a pré-carga. O processo é elucidado com um exemplo claro, mostrando sua aplicação em um cenário comum de montagem.
Por outro lado, a segunda técnica introduz um Conector do tipo Translator, fornecendo uma alternativa mais refinada. Este método simplifica o processo conectando diretamente a porca e o parafuso e aplicando uma carga de conector para alcançar a pré-carga. O guia passo a passo garante clareza, tornando-o uma opção atraente para aqueles que preferem uma abordagem diferente.
Em última análise, a escolha entre essas técnicas depende das demandas específicas do projeto e das preferências do analista. Ao concluirmos nossa exploração da pré-carga de parafusos no ABAQUS, é evidente que uma compreensão aprofundada de ambas as técnicas equipa os engenheiros com um conjunto versátil de ferramentas para garantir integridade estrutural e precisão na análise de elementos finitos. Quer você opte pela tradicional seção de pré-carga ou pelo inovador Conector do tipo Translator, o objetivo permanece o mesmo: apertar os parafusos virtuais para aprimorar a confiabilidade de suas simulações de engenharia.
Saiba Mais
Se você é novo no método dos elementos finitos e ansioso para desmistificar suas complexidades, recomendo explorar meu post abrangente sobre o assunto: Método dos Elementos Finitos: Um Guia Completo.
Além disso, para um entendimento mais profundo e insights adicionais, encorajo você a consultar o Guia do Usuário do Abaqus. Este recurso valioso fornece informações detalhadas complementando os conceitos discutidos em meu post no blog. Você pode acessar o Guia do Usuário do Abaqus no seguinte link: Guia do Usuário do Abaqus.
Combinando o conhecimento fundamental do meu post no blog com o guia prático oferecido no Guia do Usuário do Abaqus, você estará bem equipado para embarcar em sua jornada no fascinante mundo da análise de elementos finitos. Boa aprendizagem!
