ETEP - FACULDADE DE TECNOLOGIA 
DE SÃO JOSÉ DOS CAMPOS 
CONCEPÇÃO DE ESTRUTURA DE QUADRICICLO A PEDAL 
DESENVOLVIDO E ANAL...
ETEP - FACULDADE DE TECNOLOGIA DE SÃO JOSÉ DOS CAMPOS 
CONCEPÇÃO DE ESTRUTURA DE QUADRICICLO A PEDAL 
DESENVOLVIDO E ANALI...
“Eu não tenho ídolos. Tenho admiração por trabalho, dedicação e competência.” 
3 
Ayrton Senna
AGRADECIMENTOS 
Agradeço primeiramente à Deus, tanto pela saúde, como também pela capacidade de me 
desenvolver tecnicamen...
RESUMO 
Este trabalho de conclusão de curso consiste na elaboração e criação da estrutura primária de 
um quadriciclo a pe...
SUMÁRIO 
6 
Pág. 
LISTA DE FIGURAS ..........................................................................................
3.1.2 CRIAÇÃO DA ESTRUTURA ........................................................................................... 30 ...
LISTA DE FIGURAS 
8 
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Figura 1.1 – Quadriciclo a pedal “GoBoy-X2”. .....................................................
Figura 3.15 – Restrições de movimento. Fixação (à esquerda) e Translação e Rotação (à 
direita). ............................
LISTA DE TABELAS 
10 
Pág. 
Tabela 2.1 – Principais tipos de aços usados em estruturas. .....................................
LISTA DE SÍMBOLOS 
a = Aceleração; 
E = Módulo de elasticidade ou modulo de Young; 
0 L = Comprimento de referência; 
Fp =...
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1 INTRODUÇÃO 
O Quadriciclo a pedal visto na Figura 1.1, é um meio de transporte de propulsão 
humana que possui quatr...
No Brasil são utilizados como meio alternativo de transporte público em algumas 
cidades turísticas, como na cidade do Rio...
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1.1 OBJETIVO DO TRABALHO 
Na elaboração de um novo projeto ou melhoria, o papel do engenheiro de estrutura 
consiste e...
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2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA 
O estudo estático visa demonstrar alguns conceitos básicos sobre as propriedades 
mecânicas p...
A relação de carga aplicada perpendicularmente à sua respectiva reta da região ou 
área, ou seja, a intensidade da força o...
Além da tensão, outro fator que simultaneamente acontece numa aplicação de carga, é 
a deformação nominal, que é encontrad...
= s E (2.3) 
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2.1.3 LEI DE HOOKE 
Na região elástica a deformação é aproximadamente proporcional à tensão. A razão 
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contração na direção da compressão. Já em deformação plástica, após a aplicação carga caso 
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Figura 2.4 – Perfis composto de chapas ou perfis laminados. 
Fonte: PFEIL, 1995. 
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2.1.1 PRIMEIRA LEI DE NEWTON 
"Todo corpo permanece em seu estado de repouso, ou de movimento uniforme em 
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· Ferrosas: Aquelas nas quais o ferro é o componente principal, incluem os aços e os 
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· Não ferrosas...
Quando tem se um problema matemático que não consegue se resolver, é comum 
tentar encontrar uma solução alternativa que c...
de carga que agem nos eixos X, Y e Z. Na Figura 2.6, ilustra o elemento tetraédrico com 
apenas quatro nós. 
Figura 2.6 - ...
2.3.3 CRITÉRIO DE TENSÃO MÁXIMA VON-MISES 
O critério estabelece que a falha ocorra quando a energia de distorção atinge o...
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3 METODOLOGIA 
Através de software computacional, é possível transformar todo o conceito e estudo 
em projeção real, c...
Uma vez que desenvolvido, é necessário analisar estruturalmente o comportamento da 
estrutura visando evitar falhas, quebr...
- Distância entre rodas – 1550 mm. 
- Distância entre pernas ou do assento até eixo do pedal – 720 mm. 
Figura 3.4 - Esque...
Figura 3.5 – Esqueleto Vista Superior (CATIA V5R20). 
Fonte: AUTOR, 2013. 
Para cada região da estrutural foi criado um el...
30 
3.1.2 CRIAÇÃO DA ESTRUTURA 
Novamente no ambiente do PART DESIGN, onde será desenvolvido o 3D e o 
conceito das referê...
Figura 3.8 - Estrutura Chassi_1. 
Fonte: AUTOR, 2013. 
Além da estrutura primária, alguns componentes são indispensáveis n...
3.1.3 DEFINIÇÃO DIMENSIONAL DA ESTRUTURA 
Após a realização de estudos e criação do modelo (3D), identificando os espaços ...
Durante o desenvolvimento, foi necessário o redimensionamento de alguns planos de 
referências que não será abordado espec...
Com o pré-dimensionamento definido, será também adicionada a estrutura primária os 
respectivos suportes de apoios (compon...
Figura 3.14 - Generate Part Analysis Structure. 
Fonte: CATIA V5R20. 
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3.2.2 DEFINIÇÃO DE RESTRIÇÕES 
É preciso analisa...
cálculos que o software fosse realizar e dimensões maiores perderia a precisão das tensões 
encontradas. 
Figura 3.16 - Ma...
Aplicando a massa considerada e a força da gravidade próximo ao nível do mar, na 
equação 3.2, foi definida a carga F1 que...
3.2.5 APLICAÇÕES DE CARGAS E SIMULAÇÃO POR COMPRESSÃO 
Para as simulações a seguir, além de cargas foi também imposto rest...
em movimentos em estradas não planas, o que poderia causar quebra do braço de sustentação 
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da roda dianteira. 
Figura ...
Figura 3.19 - Análise de tensão (por Von Mises) do Chassi 1 (Simulação 3). 
Fonte: AUTOR, 2013. 
40 
3.2.9 SIMULAÇÃO 4 
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41 
3.2.10 SIMULAÇÃO 5 
Quando o veículo faz uma freada brusca, onde ocorrerá a desaceleração dos corpos 
dos ciclistas, r...
Figura 3.22 - Análise de tensão (por Von Mises) do Chassi 1 (Simulação 6). 
Fonte: AUTOR, 2013. 
42 
3.2.12 RESULTADOS DAS...
43 
3.2.13 MELHORIA DE PERFIL 
Visando a melhoria e robustez do chassi anterior, toda a estrutura foi reforçada 
desenvolv...
Tabela 3.2 – Tensões máximas comparativas de Chassi_1 e Chassi_2. 
Chassi_1 (MPa) 
20 mm x 20 mm x 2 mm 
44 
Chassi_2 (MPa...
Tabela 3.3 – Análise crítica Chassi_2 x Chassi_3 (proposta de melhoria) 
Simulações Chassi_2 Chassi_3 
45 
Simulação_2 
(R...
Por fim, no Ensaio_6 visto na Tabela 3.5, não foi necessário aumentar as dimensões 
do tubo retangular de 30mm x 20mm. Por...
47 
4 RESULTADOS 
4.1 ANÁLISE DE TENSÃO COMPARTIVAS DOS CHASSIS 
As tensões máximas obtidas nas simulações do Chassi_3, em...
Tabela 4.2 – Dimensões definidas para Chassi_3. 
Chassi_3 
48 
Perfil Tubo 
Quantidade 
Tubos 
Comprimento 
(mm) 
Perfil_1...
Figura 4.1 – Perfil de tubos definidos em Chassi_3. 
Fonte: Autor, 2013. 
Pesando aproximadamente apenas 24 kg de massa co...
50 
5 CONCLUSÃO 
Com o material e simulações estabelecidas, a estrutura com o perfil inicial proposto foi 
incapaz de supo...
REFERÊNCIAS 
ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 14714: Veículo de duas 
rodas - Bicicleta - Conjunto quadro e g...
FERREIRA, Fabio. Triciclos Táxis Ecológicos. Publicado em 30 de Dezembro de 2008. 
Disponível em: <http://nerd-society.blo...
RAO, Singiresu S., The Finite Element Method in Engineering, 4th Edition. Elsevier 
Science & Technology Books, 2004. 
SHI...
54 
GLOSSÁRIO 
Área - conjunto de conteúdos (grupos temáticos comuns) que compõem os diferentes campos 
do saber. 
Análise...
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Trabalho de Conclusão de Curso de Bacharelado em Engenharia Industrial Mecânica, orientado pelo Eng. M.Sc. Domingos Sávio Raimundo Júnior.

CONCEPÇÃO DE ESTRUTURA DE QUADRICICLO A PEDAL DESENVOLVIDO E ANALISADO NO CATIA V5

Engenheiro Carlos Pedro David Filho

ETEP Faculdades
São José dos Campos/2013

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  1. 1. ETEP - FACULDADE DE TECNOLOGIA DE SÃO JOSÉ DOS CAMPOS CONCEPÇÃO DE ESTRUTURA DE QUADRICICLO A PEDAL DESENVOLVIDO E ANALISADO NO CATIA V5 Carlos Pedro David Filho Trabalho de Conclusão de Curso de Bacharelado em Engenharia Industrial Mecânica, orientado pelo Eng. M.Sc. Domingos Sávio Raimundo Júnior. ETEP Faculdades São José dos Campos 2013
  2. 2. ETEP - FACULDADE DE TECNOLOGIA DE SÃO JOSÉ DOS CAMPOS CONCEPÇÃO DE ESTRUTURA DE QUADRICICLO A PEDAL DESENVOLVIDO E ANALISADO NO CATIA V5 Carlos Pedro David Filho _____________________________ _____________________________ Domingos Sávio Raimundo Júnior Washington Luiz dos Santos ETEP Faculdades São José dos Campos 2013
  3. 3. “Eu não tenho ídolos. Tenho admiração por trabalho, dedicação e competência.” 3 Ayrton Senna
  4. 4. AGRADECIMENTOS Agradeço primeiramente à Deus, tanto pela saúde, como também pela capacidade de me desenvolver tecnicamente, realizando além de trabalhos, conceitos e experiências que serão levados por toda vida. Sou totalmente grato à minha mãe Maria Eugênia Bassi, ao meu irmão Carlos Wallace David e também a toda família Bassi, pelos conselhos, carinho, amor e compreensão, além da educação que eles me deram. Agradeço também a instituição ETEP FACULDADES e aos professores, por me formar um profissional tecnicamente preparado para enfrentar desafios no atual mercado de trabalho competitivo. 4
  5. 5. RESUMO Este trabalho de conclusão de curso consiste na elaboração e criação da estrutura primária de um quadriciclo a pedal para uso adulto, a ser desenvolvido e analisado pelo software CATIA V5R20, projetado para resistir aos carregamentos aplicados. Para obter maior confiabilidade e segurança, foram aplicados os conceitos de engenharia como resistência dos materiais, selecionando material e perfis variados, além dos itens de fixação garantindo a união dos elementos. Através de análise pelo método de elementos finitos verificou as flexões (em regime linear-elástico) realizadas em cada aplicação de cargas, propondo um novo perfil mais resistente, evitando a quebra do chassi. Sendo assim, fatores de segurança e simulações foram realizados para garantir a qualidade. Palavras Chave: Quadriciclo a pedal; Estrutura; Chassi; Catia V5, Elementos Finitos 5
  6. 6. SUMÁRIO 6 Pág. LISTA DE FIGURAS ................................................................................................................. 8 LISTA DE TABELAS ................................................................................................................ 10 LISTA DE SÍMBOLOS ............................................................................................................. 11 1 INTRODUÇÃO .................................................................................................................... 12 1.1 OBJETIVO DO TRABALHO ........................................................................................... 14 1.2 JUSTIFICATIVA ............................................................................................................... 14 2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA....................................................................................... 15 2.1 RESISTÊNCIA DOS MATERIAS .................................................................................... 15 2.1.1 CONCEITOS DE TENSÃO DEFORMAÇÃO .................................................................. 15 2.1.2 DIAGRAMA TENSÃO DEFORMAÇÃO CONVENCIONAL ........................................ 17 2.1.3 LEI DE HOOKE ................................................................................................................. 18 2.1.4 DEFORMAÇÃO ELÁSTICA E PLÁSTICA DOS METAIS ........................................... 18 2.1.5 FATOR DE SEGURANÇA ............................................................................................... 19 2.1.6 VIGAS E PERFIS FABRICADOS .................................................................................... 19 2.1 CONCEITOS DINÂMICOS E LEIS DE NEWTON......................................................... 20 2.1.1 PRIMEIRA LEI DE NEWTON ......................................................................................... 21 2.1.2 SEGUNDA LEI DE NEWTON ......................................................................................... 21 2.1.3 TERCEIRA LEI DE NEWTON ......................................................................................... 21 2.2 LIGAS METÁLICAS ........................................................................................................ 21 2.2.1 AÇOS -CARBONO ............................................................................................................ 22 2.3 MÉTODOS DOS ELEMENTOS FINITOS ....................................................................... 22 2.3.1 MALHA ............................................................................................................................. 23 2.3.2 ELEMENTOS SÓLIDOS .................................................................................................. 23 2.3.3 CRITÉRIO DE TENSÃO MÁXIMA VON-MISES .......................................................... 25 3 METODOLOGIA ................................................................................................................ 26 3.1 DESENVOLVIMENTO TRIDIMENSIONAL ................................................................. 26 3.1.1 ESQUELETO ..................................................................................................................... 27
  7. 7. 3.1.2 CRIAÇÃO DA ESTRUTURA ........................................................................................... 30 3.1.3 DEFINIÇÃO DIMENSIONAL DA ESTRUTURA .......................................................... 32 3.1.4 ESCOLHA DO MATERIAL ............................................................................................. 33 3.2 ANÁLISE ESTRUTURAL ................................................................................................ 33 3.2.1 METODOLOGIA DOS ELEMENTOS FINITOS ........................................................... 34 3.2.2 DEFINIÇÃO DE RESTRIÇÕES ....................................................................................... 35 3.2.3 ESCOLHA DA MALHA ................................................................................................... 35 3.2.4 DEFINIÇÃO DE CARGAS ............................................................................................... 36 3.2.5 APLICAÇÕES DE CARGAS E SIMULAÇÃO POR COMPRESSÃO ........................... 38 3.2.6 SIMULAÇÃO 1 ................................................................................................................. 38 3.2.7 SIMULAÇÃO 2 ................................................................................................................. 38 3.2.8 SIMULAÇÃO 3 ................................................................................................................. 39 3.2.9 SIMULAÇÃO 4 ................................................................................................................. 40 3.2.10 SIMULAÇÃO 5 ............................................................................................................. 41 3.2.11 SIMULAÇÃO 6 ............................................................................................................. 41 3.2.12 RESULTADOS DAS SIMULAÇÕES .......................................................................... 42 3.2.13 MELHORIA DE PERFIL .............................................................................................. 43 3.2.14 ANALISE CRÍTICA E MELHORIA ............................................................................ 44 4 RESULTADOS ..................................................................................................................... 47 4.1 ANÁLISE DE TENSÃO COMPARTIVAS DOS CHASSIS ............................................ 47 4.2 DIMENSIONAMENTO FINAL DA ESTRUTURA ........................................................ 47 5 CONCLUSÃO ...................................................................................................................... 50 GLOSSÁRIO .............................................................................................................................. 54 7
  8. 8. LISTA DE FIGURAS 8 Pág. Figura 1.1 – Quadriciclo a pedal “GoBoy-X2”. ....................................................................... 12 Figura 1.2 – Triciclo a pedal. ..................................................................................................... 12 Figura 1.3 – Triciclo Eco-táxi. ................................................................................................... 13 Figura 1.4 – Quadriciclo para oito pessoas. ............................................................................. 13 Figura 2.1 – (a) Tensão de tração, (b) Tensão de compressão, (c) Tensão de cisalhamento e (d) Tensão de torção. ............................................................................................................... 16 Figura 2.2 – Diagrama tensão-deformação convencional e real para material dúctil (aço). ............................................................................................................................................. 17 Figura 2.3 – Diagrama tensão-deformação Linear. ................................................................ 18 Figura 2.4 – Perfis composto de chapas ou perfis laminados. ................................................ 20 Figura 2.5 – Malha de um círculo. ............................................................................................ 23 Figura 2.6 - Elemento Tetraédrico Regular. ............................................................................ 24 Figura 2.7 - Elemento Tetraédrico Parabólico. ....................................................................... 24 Figura 3.1 – Software CATIA V5R20. ...................................................................................... 26 Figura 3.2 – Part Design. ........................................................................................................... 26 Figura 3.3 – Esqueleto Vista Isométrica (CATIA V5R20). .................................................... 27 Figura 3.4 - Esqueleto Vista Lateral (CATIA V5R20). ........................................................... 28 Figura 3.5 – Esqueleto Vista Superior (CATIA V5R20). ........................................................ 29 Figura 3.6 - Publicação (CATIA V5R20). ................................................................................ 29 Figura 3.7 – Criação do sólido. Árvore de parâmetros (à esquerda) e Aplicação de parâmetro no perfil (à direita). ................................................................................................. 30 Figura 3.8 - Estrutura Chassi_1. ............................................................................................... 31 Figura 3.9 – Montagem. ............................................................................................................. 31 Figura 3.10 – Dimensionamento da estrutura primária – Vista Lateral. .............................. 32 Figura 3.11 – Dimensionamento da estrutura primária – Vista Superior. ........................... 32 Figura 3.12 – Biblioteca de Materiais – Aço (Steel)................................................................. 33 Figura 3.13 – Estrutura Chassi_1 pré-dimensionado. ............................................................ 34 Figura 3.14 - Generate Part Analysis Structure. ..................................................................... 35
  9. 9. Figura 3.15 – Restrições de movimento. Fixação (à esquerda) e Translação e Rotação (à direita). ........................................................................................................................................ 35 Figura 3.16 - Malha Tetraedro Parabólico. ............................................................................. 36 Figura 3.17- Análise de tensão (por Von Mises) do Chassi 1 (Simulação 1). ........................ 38 Figura 3.18 - Análise de tensão (por Von Mises) do Chassi 1 (Simulação 2). ....................... 39 Figura 3.19 - Análise de tensão (por Von Mises) do Chassi 1 (Simulação 3). ....................... 40 Figura 3.20 - Análise de tensão (por Von Mises) do Chassi 1 (Simulação 4). ....................... 40 Figura 3.21 - Análise de tensão (por Von Mises) do Chassi 1 (Simulação 5). ....................... 41 Figura 3.22 - Análise de tensão (por Von Mises) do Chassi 1 (Simulação 6). ....................... 42 Figura 3.23 – Estrutura Chassi_2. ............................................................................................ 43 Figura 3.24 – Identificação das análises críticas e melhoria para o Chassi_3. ..................... 46 Figura 4.1 – Perfil de tubos definidos em Chassi_3. ................................................................ 49 Figura 5.1 – Montagem simulada de componentes. ................................................................ 50 9
  10. 10. LISTA DE TABELAS 10 Pág. Tabela 2.1 – Principais tipos de aços usados em estruturas. .................................................. 22 Tabela 3.1 – Tensões Máximas nas simulações de Chassi_1. .................................................. 42 Tabela 3.2 – Tensões máximas comparativas de Chassi_1 e Chassi_2. ................................... 44 Tabela 3.3 – Análise crítica Chassi_2 x Chassi_3 (proposta de melhoria) ............................ 45 Tabela 3.4 – Análise crítica Chassi_2 x Chassi_3 (proposta de melhoria). ........................... 45 Tabela 3.5 – Análise crítica Chassi_2 x Chassi_3 (proposta de melhoria). ........................... 46 Tabela 4.1 – Análise de Tensão Máxima comparativa (revisão final) ................................... 47 Tabela 4.2 – Dimensões definidas para Chassi_3. ................................................................... 48 Tabela 4.3 – Massa das estruturas desenvolvidas. ................................................................... 49
  11. 11. LISTA DE SÍMBOLOS a = Aceleração; E = Módulo de elasticidade ou modulo de Young; 0 L = Comprimento de referência; Fp = Força pedal do ciclista; F1 = Força g ou gravitacional; F2 = Força peso; FS1 = Fator de Segurança para força-g; FS2 = Fator de Segurança para força-peso; m0 = Massa padrão do Adulto; m1 , m2 = Massas Majoradas para do Adulto; g = Aceleração da gravidade; σVon Mises = Tensão de Von Mises; 11 σ = tensão normal; ε = deformação de tração; d = variação no comprimento de referência
  12. 12. 12 1 INTRODUÇÃO O Quadriciclo a pedal visto na Figura 1.1, é um meio de transporte de propulsão humana que possui quatro rodas, além de diversos componentes usados comercialmente em bicicletarias, e são geralmente utilizado por duas, três ou até quatro pessoas. Figura 1.1 – Quadriciclo a pedal “GoBoy-X2”. Fonte: MESQUITA, 2008. Similar ao modelo anterior, o triciclo, visualizado na Figura 1.2, é um veículo mais popular e conhecido mundialmente, diferenciando apensar por este possuir três rodas, e não quatro. (PEREIRA, 2011) Figura 1.2 – Triciclo a pedal. Fonte: PEREIRA, 2011.
  13. 13. No Brasil são utilizados como meio alternativo de transporte público em algumas cidades turísticas, como na cidade do Rio de Janeiro e em Volta Redonda, visualizado na Figura 1.3. Conhecido como Triciclo Eco-táxi (ou Táxi Ecológico), está em ascensão no mercado nacional, pois além de preservar a natureza, pode ser usado em feiras, eventos e exposições para locomoções rápidas, além de servir como espaço publicitário e divulgar marcas, beneficiando o condutor como renda extra. (LEMES, 2008) Figura 1.3 – Triciclo Eco-táxi. Fonte: FERREIRA, 2008. Na Europa e Japão existe há pelo menos 15 anos, conhecido como PediCabs, sendo muito popular em grandes cidades como Barcelona, Berlim, Milão, Roma e Londres. Existem diversos modelos, desde modelos individuais sem proteção, como também modelos maiores e confortáveis, para até oito pessoas, como vista na Figura 1.4. (PEREIRA, 2011) Figura 1.4 – Quadriciclo para oito pessoas. Fonte: PEREIRA, 2012. 13
  14. 14. 14 1.1 OBJETIVO DO TRABALHO Na elaboração de um novo projeto ou melhoria, o papel do engenheiro de estrutura consiste em determinar cargas e as distribuições de tensões em um corpo, de acordo com a realidade a que será imposta, com a finalidade de resistir com segurança. Este projeto tem como objetivo desenvolver e projetar uma nova estrutura primária (chassi) de um quadriciclo a pedal, aplicar as cargas atuantes e demonstrar os pontos críticos do projeto que deverão ser melhorados, analisando estaticamente através de elementos finitos as principais deformações que suporte com segurança até duas pessoas adultas. 1.2 JUSTIFICATIVA A criação de um novo veículo tem como finalidade propor uma alternativa de transporte para a população, visando além de economia e saúde, preservar o meio ambiente por não emitir gases tóxicos à natureza. É um mercado que tende a evoluir nacionalmente por ter grande aceitação da população, seja para aluguel, passeio ou táxi em cidades turísticas, como também como lazer e locomoção, principalmente em cidades rurais e semi urbanas.
  15. 15. 15 2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA O estudo estático visa demonstrar alguns conceitos básicos sobre as propriedades mecânicas principais que afetam a resistência de uma estrutura, como o Diagrama tensão-deformação, Módulo de Elasticidade, Material, Perfil Estrutural e Análise pelo método de elementos finitos. 2.1 RESISTÊNCIA DOS MATERIAS Resistência dos materiais abrange as propriedades mecânicas, como a resistência, a dureza, a ductilidade e a rigidez. As cargas aplicadas correspondem a três tipos de cargas resultantes como, tração, compressão, ou cisalhamento. O comportamento mecânico de um corpo reflete a relação entre sua resposta ou deformação a uma carga ou força que esteja nela sendo aplicadas. Esse ramo estuda as relações entre cargas externas aplicadas a um corpo deformável e a intensidade das forças internas que atuam dentro desse corpo. Esse assunto abrange também o cálculo da deformação do corpo e o estudo da sua estabilidade, quando ele está submetido a forças externas. (HIBBELER, 2004) A mecânica dos corpos rígidos pode ser dividida em estática e dinâmica, a estática tem por finalidade o estudo do equilíbrio de um corpo em repouso ou em movimento com velocidade constante. Já a dinâmica, pode ser caracterizada como a parte da mecânica dos corpos rígidos dedicada ao estudo do movimento de corpos sob a ação de forças, ou seja, movimentos acelerados dos corpos. 2.1.1 CONCEITOS DE TENSÃO DEFORMAÇÃO Quando uma força é aplicada a um corpo, tende a mudar a forma e o tamanho dele. Essas mudanças são denominadas deformação e podem ser perfeitamente visíveis ou praticamente imperceptíveis sem o uso de equipamento para fazer medições precisas. Se uma carga é estática, se alterando lentamente ao longo do tempo sendo aplicado de maneira uniforme sobre uma seção reta, seu comportamento mecânico pode ser verificado através de um ensaio de tensão-deformação. (CALLISTER, 2002)
  16. 16. A relação de carga aplicada perpendicularmente à sua respectiva reta da região ou área, ou seja, a intensidade da força ou força por unidade de área, define-se a tensão de engenharia que é expressa pela equação 2.1: s = F (2.1) 16 A Assim, de acordo a Figura 2.1, existem três maneiras principais de aplicação de cargas, que normalmente são realizados à temperatura ambiente, como: · Tração · Compressão · Cisalhamento Figura 2.1 – (a) Tensão de tração, (b) Tensão de compressão, (c) Tensão de cisalhamento e (d) Tensão de torção. Fonte: CALLISTER, 2002.
  17. 17. Além da tensão, outro fator que simultaneamente acontece numa aplicação de carga, é a deformação nominal, que é encontrada dividindo-se a variação no comprimento de referência pelo comprimento inicial, expresso pela equação 2.2. e = d (2.2) 17 0 L 2.1.2 DIAGRAMA TENSÃO DEFORMAÇÃO CONVENCIONAL Segundo HIBBELER (2004), o diagrama de tensão deformação permite obter dados sobre a resistência do corpo-de-prova à tração ou compressão, independente de sua forma geométrica desse material. Pela curva do diagrama é possível identificar quatro maneiras diferentes pelas quais o material se comporta, dependendo da grandeza da deformação nele provocada. Através do diagrama, é possível identificar o que acontece com o corpo-de-prova para os materiais dúcteis que estão submetidos a um tipo de carga, a tensão e a deformação são proporcionais entre si, de acordo a Figura 2.2. Figura 2.2 – Diagrama tensão-deformação convencional e real para material dúctil (aço). Fonte: HIBBELER, 2004
  18. 18. = s E (2.3) 18 2.1.3 LEI DE HOOKE Na região elástica a deformação é aproximadamente proporcional à tensão. A razão entre a tensão e a deformação do material é o módulo de elasticidade, que é uma característica do metal, pois quanto maior forem as forças de atração entre os átomos, maior é seu módulo de elasticidade. (VAN VLACK, 2004) Os materiais dúcteis usados na engenharia apresentam relação linear entre tensão e deformação na região de elasticidade, conseqüentemente, um aumento na tensão provoca um aumento proporcional na deformação, como visto na Figura 2.3. (SORIANO, 2009) Figura 2.3 – Diagrama tensão-deformação Linear. Fonte: SORIANO, 2009. Essa característica é conhecida como Lei de Hooke, que relaciona a linearidade entre tensão normal que age na peça e sua deformação dentro do regime elástico, gerando um valor chamado de módulo de elasticidade transversal, expresso matematicamente pela equação 2.3. e 2.1.4 DEFORMAÇÃO ELÁSTICA E PLÁSTICA DOS METAIS A deformação elástica acontece antes da deformação plástica, ou seja, quando é aplicada uma carga em um corpo-de-prova, o pedaço se torna levemente mais comprido. Ao remover a carga, seu tamanho volta às dimensões originais. Na região elástica, a deformação é o resultado de uma elongação da célula unitária na direção da tensão de tração a uma pequena
  19. 19. contração na direção da compressão. Já em deformação plástica, após a aplicação carga caso seja maior ao que o material resista, ocorre um deslocamento permanente no corpo-de-prova, ou seja, ao retirar a tensão não implica no retorno dos planos cristalinos às suas posições originais. (VAN VLACK, 2004) FS = (2.4) 19 2.1.5 FATOR DE SEGURANÇA Na perspectiva de BEER & JOHNSTON (2006), uma peça estrutural deve ser projetada de tal forma que a carga ultima seja consideravelmente maior que o carregamento que essa peça irá suportar em condições normais de utilização. Se a carga aplicada ao elemento for relacionada linearmente à tensão, então pode-se expressar o fator de segurança como a relação entre a massa majorada e a massa padrão do adulto, através da equação 2.4. m 0 m 1 O fator de segurança pode ser encontrado em códigos de projeto e manuais de engenharia, com a finalidade de manter um equilíbrio entre segurança e uma solução econômica para o projeto. Este valor a ser escolhido deverá ser sempre maior do que 1, evitando maior possibilidade de falha no projeto mecânico. 2.1.6 VIGAS E PERFIS FABRICADOS Vigas são estruturas amplamente utilizadas na engenharia mecânica, civil, entre outras, possuem estruturas simples ou complexas, e diferentes formas de seção, denominadas perfis. As vigas e os aços estruturais podem ser classificados em chapas, barras e perfis, independentemente do seu processo de obtenção. Os perfis fabricados são formados pela associação de chapas ou de perfis laminados simples, sendo a ligação, em geral, soldada. (PFEIL, 1995) Dentre os diversos tipos de perfis, na Figura 2.4 exemplifica alguns dos existentes no mercado.
  20. 20. Figura 2.4 – Perfis composto de chapas ou perfis laminados. Fonte: PFEIL, 1995. O primeiro exemplo conforme Figura 2.4 a), o perfil I é formado pela associação de 20 três chapas, muito utilizado em: • Construção civil. • Estruturas metálicas de grande porte; • Chassis de caminhões, caminhonetes e ônibus; Já nas Figuras 2.4 b) e c), o perfil retangular e quadrado respectivamente, referem-se aos perfis composto formado pela união de perfis laminados simples, tendo ampla aplicação em: • Estruturas metálicas; • Serralheria; • Máquinas e equipamentos; • Indústria mecânica em geral. 2.1 CONCEITOS DINÂMICOS E LEIS DE NEWTON A dinâmica é a parte da Física que tem como objetivo estudar as causas dos movimentos. A análise principal na dinâmica refere-se à forças que atuam sobre o corpo, proporcionando uma variação em sua quantidade de movimento, ou seja, a mudança do corpo com o tempo. Na física dinâmica, existem as três leis de Newton em que todo o estudo do movimento pode ser resumido. (CALÇADA & SAMPAIO, 1998)
  21. 21. 21 2.1.1 PRIMEIRA LEI DE NEWTON "Todo corpo permanece em seu estado de repouso, ou de movimento uniforme em linha reta, a menos que seja obrigado a mudar seu estado por forças impressas nele". (HIBBELER, 1995) Um corpo tende a permanecer em repouso ou em movimento retilíneo e uniforme, quando está livre da ação de forças externas ou sujeito a forças cuja resultante é nula, considerado como uma propriedade que os corpos possuem denominada Inércia. 2.1.2 SEGUNDA LEI DE NEWTON "A mudança do movimento é proporcional à sua força e se faz segundo a linha reta pela qual se imprime essa força".(HIBBELER, 1995) Considerado a definição do conceito de força na mecânica, a força peso é quando um corpo com massa “m“ constante atua com aceleração “a” (ou aceleração da gravidade “g”), expressado pela equação 2.5. P = m . a (2.5) O Peso de um corpo é a força com que a Terra o atrai, podendo variar conforme sua respectiva gravidade de atuação, que tende a variar. Por exemplo, considerando uma superfície da Terra, nível do mar, a aceleração da gravidade equivale a 9,8m/s², já na superfície de Marte 3,724m/s². 2.1.3 TERCEIRA LEI DE NEWTON "A uma ação sempre se opõe a uma reação igual, ou seja, as ações de dois corpos um sobre o outro são sempre iguais e se dirigem a partes contrárias "(HIBBELER, 1995). 2.2 LIGAS METÁLICAS São materiais com propriedades metálicas que contêm dois ou mais elementos químicos, sendo que em pelo menos um deles é o metal. Isso porque a maioria não é utilizada em estado puro, pois com propriedades alteradas o material pode-se atender melhor em cada tipo de projeto específico, seja buscando maior dureza ou ductilidade, por exemplo. (CALLISTER, 2002) As ligas metálicas, devido à sua composição, são dividas em duas classes:
  22. 22. · Ferrosas: Aquelas nas quais o ferro é o componente principal, incluem os aços e os 22 ferros fundidos. · Não ferrosas: Ligas que não têm como base o ferro. 2.2.1 AÇOS-CARBONO Os aços são ligas ferro-carbono que podem conter concentrações apreciáveis de outros elementos de liga, sendo diversos de ligas que possuem composições e/ou tratamentos térmicos diferentes, sendo classificados de acordo com a sua concentração de carbono, com baixo, médio e elevado teor de carbono. (CALLISTER, 2002) O aumento das concentrações de teor carbono provoca a elevação na dureza e limites de resistência, reduzindo ductilidade e tenacidade do material. Em estruturas metálicas usuais, é comum a preferência pelo aço com baixo até moderado teor de carbono, devido sua ótima resistência mecânica e ductilidade, o que atende a grande parte de pequenos projetos estruturais, apresentado na Tabela 2.1. Tabela 2.1 – Principais tipos de aços usados em estruturas. Fonte: PFEIL, 1995. Essas ligas possuem ductilidade e tenacidade, além de serem usináveis, soldáveis e, dentre todos os tipos de aço, são os mais baratos de serem produzidos. 2.3 MÉTODOS DOS ELEMENTOS FINITOS Segundo ALVES FILHO, 2000, através do MEF (Métodos dos Elementos Finitos) é possível criar modelos (protótipos digitais) usados para simular a condição real de uso do produto. Os testes de campo e laboratório são realizados no protótipo digital visando a redução de prazos e custos em ferramental, protótipos físicos e validação, por intermédio da eliminação do processo de tentativa e erro.
  23. 23. Quando tem se um problema matemático que não consegue se resolver, é comum tentar encontrar uma solução alternativa que contribua na solução do problema original. Um exemplo deste tipo problema resolvido pode-se considerar com a introdução do Método dos Elementos Finitos. (VICENTE, 2001) O conceito de elementos finitos é simples: se um problema é muito complexo para ser resolvido, crie subconjuntos menores para encontrar as soluções. O software cria um modelo matemático que subdivide este modelo complexo em pequenos pedaços de forma regular chamado elementos. 23 2.3.1 MALHA A geração de malha por elementos finitos, o software subdivide a geometria em pequenos pedaços denominado elemento. O elemento é um número finito de pontos de conexão, localizados em seus vértices e arestas, chamados de nós. O conjunto de rede de elementos e nós é chamada de malha, representado na Figura 2.5, representando um círculo com 12 nós. (ALVES FILHO, 2000) Figura 2.5 – Malha de um círculo. Fonte: HUEBNER & THORNTON, 1982. Quanto maior for número de nós em um elemento, melhor será a precisão da análise, pois em cada nó possui a propriedade do material. 2.3.2 ELEMENTOS SÓLIDOS Tetraédrico Regular é um elemento sólido onde as cargas do elemento têm como característica agir no estado triaxial de tensões, diferentemente do plano, ou seja, esses tipos
  24. 24. de carga que agem nos eixos X, Y e Z. Na Figura 2.6, ilustra o elemento tetraédrico com apenas quatro nós. Figura 2.6 - Elemento Tetraédrico Regular. Fonte: RAO, 2004. Neste tipo de elemento tetraédrico, os nós se movimentam em 3 componentes de deslocamento, estes deslocamentos se dá conforme o tipo de esforço aplicado e as características do material. Portanto, o elemento possui 3 graus de liberdade por nó totalizando 12 nós. Similar ao elemento anterior, o Tetraédrico Parabólico possui finitos elementos na forma de “tetraedros”, como visto na Figura 2.7, mas agora irá possuir mais quantidade de graus de liberdade, desta forma o elemento possuirá 10 nós totalizando 30 graus de liberdade. Figura 2.7 - Elemento Tetraédrico Parabólico. Fonte: RAO, 2004. Os elementos parabólicos dão melhores resultados do que elementos lineares por representarem arestas curvadas mais adequadamente e produzirem melhores aproximações matemáticas, porém, necessitam de mais recursos computacionais. Para problemas estruturais, cada nó de um elemento sólido possui três graus de liberdade que representam as translações nas três direções ortogonais. O software usa as coordenadas das direções X, Y, e Z do sistema global de coordenadas cartesianas para formular o problema. 24
  25. 25. 2.3.3 CRITÉRIO DE TENSÃO MÁXIMA VON-MISES O critério estabelece que a falha ocorra quando a energia de distorção atinge o mesmo valor da energia que provoca o escoamento na deformação uniaxial. Os softwares que realizam cálculos estáticos utilizam o critério de tensão máxima de Von Mises, que tem como objetivo encontrar a tensão máxima que uma estrutura à receber esforços mecânicos. (CATIA V5). Em resumo, a tensões de Von Mises, é expresso pela equação 2.5. ( )2 ( )2 ( )2 x y y z z x sVonMises = s -s + s -s + s -s (2.5) 25
  26. 26. 26 3 METODOLOGIA Através de software computacional, é possível transformar todo o conceito e estudo em projeção real, criando uma estrutura, onde será realizado todo o desenvolvimento e analise tridimensional. Foi escolhido o CATIA V5R20 da Dassault Systemes, representado na Figura 3.1, que é uma ferramenta computacional amplamente utilizada nas indústrias aeroespaciais, automobilística, construção de barcos, navios, equipamentos industriais, entre outras. O software tem alto desempenho nas áreas de CAD (Computer Aided Design), CAM (Computer Aided Manufacturing) e CAE (Computer Aided Engineering), onde pode se desenvolver e projetar todo ciclo do produto ou ferramenta, desde a sua concepção. Figura 3.1 – Software CATIA V5R20. Fonte: CATIA V5R20. 3.1 DESENVOLVIMENTO TRIDIMENSIONAL Através do ambiente PART DESIGN do CATIA V5R20 visualizado na Figura 3.2, todo o estudo, conceito e dimensões serão desenvolvidos para a definição do chassi, e assim, simular as distâncias de todo o conjunto e vigas. Figura 3.2 – Part Design. Fonte: CATIA V5R20.
  27. 27. Uma vez que desenvolvido, é necessário analisar estruturalmente o comportamento da estrutura visando evitar falhas, quebras e deformações permanentes. 27 3.1.1 ESQUELETO O Esqueleto (ou Skeleton) é o nome que foi dado ao arquivo onde foram elaboradas as principais referências da estrutura, como comprimento/largura total do veículo, distância de rodas x estrutura, assento do ciclista x eixo do pedal, entre outras referências. Na Figura 3.3, é possível visualizar as principais referências criadas para este projeto. Figura 3.3 – Esqueleto Vista Isométrica (CATIA V5R20). Fonte: AUTOR, 2013. Este processo visa dimensionar de forma paramétrica as principais referências, facilitando principalmente em caso de redimensionamento futuros. Como por exemplo, a distância entre eixos do veiculo estarem próximas um do outro, impossibilitando o ciclista de pedalar, entre outros casos. Na Figura 3.4, foi definido as primeiras dimensões do veículo, como: - Diâmetro das rodas dianteiras – 508 mm (20”); - Diâmetro das rodas traseiras – 660.4 mm (26”); - Altura entre chassi e chão – 460 mm;
  28. 28. - Distância entre rodas – 1550 mm. - Distância entre pernas ou do assento até eixo do pedal – 720 mm. Figura 3.4 - Esqueleto Vista Lateral (CATIA V5R20). Fonte: AUTOR, 2013. Complementado as definições das referências, na Figura 3.5, foram definidas outras 28 dimensões, como: - Distância entre condutor e passageiro – 330 mm até o centro (660 mm entre si); - Distância entre chassi frontal e eixo do pedal – 750 mm; - Distância entre chassi traseiro e assento – 760 mm; - Distância entre as rodas traseiras – 560 mm até o centro (1120 mm entre si);
  29. 29. Figura 3.5 – Esqueleto Vista Superior (CATIA V5R20). Fonte: AUTOR, 2013. Para cada região da estrutural foi criado um elemento como referência, seja um plano ou eixo (ou qualquer outra referência ou comando), e cada referência precisa ser publicada, como visto na Figura 3.6. Posteriormente, são usados através de link na criação do sólido, em um segundo arquivo PART DESIGN, que é onde será desenvolvido o 3D. Vale lembrar que, a linha branca tracejada no centro da figura anterior, refere-se a simetria que existe da estrutura do veículo, dispensando a repetição das referências. Figura 3.6 - Publicação (CATIA V5R20). Fonte: AUTOR, 2013. 29
  30. 30. 30 3.1.2 CRIAÇÃO DA ESTRUTURA Novamente no ambiente do PART DESIGN, onde será desenvolvido o 3D e o conceito das referências se transformará em um sólido. Para manter a organização, e principalmente, facilitar em caso de redimensionamentos futuros, foi criado os parâmetros. Parâmetros são janelas adicionadas na árvore de criação do sólido onde são inseridos as dimensões da seção transversal do perfil a ser aplicado, sendo aplicado no comando ou desenho, como visto na Figura 3.7. Figura 3.7 – Criação do sólido. Árvore de parâmetros (à esquerda) e Aplicação de parâmetro no perfil (à direita). Fonte: AUTOR, 2013. Para cada perfil a ser escolhido, deve-se criar na árvore um parâmetro utilizando na criação do desenho com as dimensões deste perfil, como por exemplo, L1, H1 e E1, dimensões como Largura, Altura e Espessura, respectivamente para esta viga. Na criação da primeira estrutura, denominada aqui neste trabalho de Chassi_1, foi escolhido e implementado o perfil quadrado laminados simples, com as dimensões 20mm (Altura) x 20mm (largura) x 2mm (espessura), por ser um perfil vazado, sendo assim, uma viga leve, e muito utilizado comercialmente. Este tubo perfil quadrado foi implementado em toda a estrutura, ilustrado na Figura 3.8, definindo-se assim o Chassi_1.
  31. 31. Figura 3.8 - Estrutura Chassi_1. Fonte: AUTOR, 2013. Além da estrutura primária, alguns componentes são indispensáveis neste tipo de veículo, como as rodas, condutor e passageiro (adulto 1,75m), assentos, volante, entre outras peças em tamanhos reais visualizados na Figura 3.9, permitindo maior realidade de desenvolvimento e visão do projeto. Figura 3.9 – Montagem. Fonte: AUTOR, 2013. 31
  32. 32. 3.1.3 DEFINIÇÃO DIMENSIONAL DA ESTRUTURA Após a realização de estudos e criação do modelo (3D), identificando os espaços necessários para os componentes, assim como também posição do passageiro, foi pré-dimensionado a estrutura primária representado na Figura 3.10 e 3.11, que servirá como 32 padrão para futuras simulações deste estudo. Figura 3.10 – Dimensionamento da estrutura primária – Vista Lateral. Fonte: AUTOR, 2013. Figura 3.11 – Dimensionamento da estrutura primária – Vista Superior. Fonte: AUTOR, 2013. As dimensões aqui definidas não seguem especificadamente uma norma de quadriciclo a pedal por não existir, ou por não ter sido encontrado durante a realização deste projeto. Porém, as dimensões aqui utilizadas foram mensuradas utilizando sempre que possíveis dimensões dos componentes de bicicleta, devido similaridade de mecanismos, usadas tão somente para os conceitos para o estudo pelo método dos elementos finitos.
  33. 33. Durante o desenvolvimento, foi necessário o redimensionamento de alguns planos de referências que não será abordado especificamente, mas que foram corrigidas. Por exemplo, o pedal que se encostava à roda dianteira, entre outros casos. Lembrando que, as dimensões de todo o quadriciclo citadas na figura anterior, já estão com as respectivas correções realizadas durante o projeto. 33 3.1.4 ESCOLHA DO MATERIAL Com a definição do perfil na estrutura, foi escolhido e aplicado o material em Aço- Carbono SAE 1020 - A36, como exemplifica na Figura 3.12. O aço-A36 é um material que possui tensão de escoamento relativamente alta (250 MPa), além de barato e também muito utilizado comercialmente em construção de pequenas estruturas, máquinas e equipamentos. Figura 3.12 – Biblioteca de Materiais – Aço (Steel). Fonte: CATIA V5R20 3.2 ANÁLISE ESTRUTURAL Após a finalização do conceito e modelamento, a estrutura precisará ser analisada com as aplicações de cargas, visando avaliar a reação da estrutura com o perfil e material escolhido. A análise estrutural torna se necessária uma vez que, precisa verificar se a estrutura está frágil, não suportando as cargas aplicadas, como também se houve superdimensionamento.
  34. 34. Com o pré-dimensionamento definido, será também adicionada a estrutura primária os respectivos suportes de apoios (componentes soldados) necessários ao veículo, conforme Figura 3.13. Os componentes aqui usados, seja um tubo redondo ou uma placa, servirão tanto como fixação da estrutura, como também região de atuação de cargas. Foi desconsiderado impacto de soldagem, considerando assim, uma estrutura única (apenas para o estudo e análise das tensões principais do chassi criado). Figura 3.13 – Estrutura Chassi_1 pré-dimensionado. Fonte: AUTOR, 2013. No processo a seguir, será realizado um passo a passo das aplicações de cargas, simulando os principais esforços que possa ocorrer no veículo, como por exemplo, os condutores pedalando. 3.2.1 METODOLOGIA DOS ELEMENTOS FINITOS Outro ambiente do CATIA V5R20 a ser utilizado é o GENERATE PART ANALYSIS 34 STRUTURE, ilustrado na Figura 3.14.
  35. 35. Figura 3.14 - Generate Part Analysis Structure. Fonte: CATIA V5R20. 35 3.2.2 DEFINIÇÃO DE RESTRIÇÕES É preciso analisar e interpretar os movimentos que ocorrerão na estrutura, assim como os suportes e regiões que sustentarão o chassi após a aplicação dos esforços. Como ilustrado na Figura 3.15, existem três eixos de translação e os três eixos de rotações em X, Y e Z, além também da restrição de fixação, onde é preciso fixar a estrutura ou uma região para analisar um ponto em especifico. Figura 3.15 – Restrições de movimento. Fixação (à esquerda) e Translação e Rotação (à direita). Fonte: CATIA V5R20 Neste estudo, foram usados todos os movimentos de graus de liberdade, devido à complexibilidade de movimentos do veículo. 3.2.3 ESCOLHA DA MALHA A escolha da malha a ser aplicada deve se levar em consideração as dimensões do perfil aplicadas à estrutura. Nesta etapa serão criados os elementos, como se fosse subdivido em pequenos pedaços imaginários, sendo que cada pedaço possuirá tensão em seus respectivos nós após aplicações de cargas. Neste estudo, o melhor dimensionamento encontrado foi de 10 mm como visto na Figura 3.16, pois corresponde a metade da menor dimensão do perfil escolhida, obtendo resultados satisfatórios. Dimensões menores que esta, tornaria a simulação demorada devido ao excesso de
  36. 36. cálculos que o software fosse realizar e dimensões maiores perderia a precisão das tensões encontradas. Figura 3.16 - Malha Tetraedro Parabólico. Fonte: CATIA V5R20. FS = (3.1) 36 3.2.4 DEFINIÇÃO DE CARGAS Neste estudo, a principal carga que possa vir a deformar este simples chassi, é através dos próprios pesos de seus respectivos ocupantes que atuam sobre a estrutura. Sendo assim, de acordo com a norma NBR 5665 – Cálculo Do Trafego Nos Elevadores, o peso médio de adulto a ser considerado nos cálculos, é de 70 kg. Devido o quadriciclo ser um veículo artesanal e não possuir manual de engenharia, neste caso, foi escolhido e aplicado um fator de segurança de 1.5, por ser uma estrutura metálica, de material com propriedades mecânicas estabelecidas por norma, que atenderia a proposta do projeto. Portando, na equação 3.1, foi definida a massa padrão para encontrar a primeira carga a ser utilizada nas simulações. m 1 1 m 0 m 70 1.5 = 1 kg m1 = 105 kg
  37. 37. Aplicando a massa considerada e a força da gravidade próximo ao nível do mar, na equação 3.2, foi definida a carga F1 que serão aplicadas no apoio de mão do quadriciclo, realizada a seguir nas simulações. F1 = m1 . g (3.2) FS = (3.3) 37 F1 = 105 kg x 9.81 m/s² F1 = 1030.05 N Apesar deste estudo ter como foco para análise estática, alguns fatores serão aqui considerados com o objetivo de melhorar a robustez da estrutura, pois, durante o trajeto do veículo, que normalmente não é em terreno perfeitamente plano. Entre outros fatores aqui não estudados, como vibrações e ondulações de trajeto, a intensidade da força do condutor aumenta sobre a estrutura. Sendo assim, considerando apenas para efeitos de cálculos, visando maior robustez do estudo, foi definido na equação 3.3, um fator de segurança 2, afim de suprir eventuais falhas após o veículo estar em movimento. 2 m 2 m 0 m 70 2 = 2 kg m2 = 140 kg Aplicando a massa “m2” e a força da gravidade, na equação 3.3, foi definida a carga F2 que serão aplicadas, principalmente nos assentos do condutor e passageiro. F2 = m2 . g (3.4) F2 = 140 kg x 9.81 m/s² F2 = 1373.40 N Por fim, outra carga que será utilizada tem como finalidade de simular o condutor em atividade, pedalando produzindo uma carga Fp de 1200 N em cada eixo do pedal, conforme citado na norma NBR 14714 - veículo de duas rodas - bicicleta.
  38. 38. 3.2.5 APLICAÇÕES DE CARGAS E SIMULAÇÃO POR COMPRESSÃO Para as simulações a seguir, além de cargas foi também imposto restrições de fixação, translação e rotação, visando obter pontos específicos de falha. Considerando as cargas definidas e as restrições aplicadas, foram realizadas as simulações pelo método de elementos finitos, onde serão aplicadas as principais cargas e algumas situações que possa surgir no veículo em repouso ou em movimento. 38 3.2.6 SIMULAÇÃO 1 Na primeira simulação, visto na Figura 3.17, foi aplicada duas cargas de 1373.40 N, sendo uma em cada ponto referente aos assentos do condutor e passageiro. Além dessas cargas, foram também considerados os condutores em atividade pedalando, foram então aplicadas duas cargas de 1200 N (uma em cada eixo do pedal). Assentos dos condutores Eixo do Pedal Figura 3.17- Análise de tensão (por Von Mises) do Chassi 1 (Simulação 1). Fonte: AUTOR, 2013. 3.2.7 SIMULAÇÃO 2 Nesta segunda simulação, visto na Figura 3.18, foi aplicada uma carga de 1373.40 N em cada uma das rodas dianteiras, visando simulações extremas de impactos com o veículo
  39. 39. em movimentos em estradas não planas, o que poderia causar quebra do braço de sustentação 39 da roda dianteira. Figura 3.18 - Análise de tensão (por Von Mises) do Chassi 1 (Simulação 2). Fonte: AUTOR, 2013. 3.2.8 SIMULAÇÃO 3 Similar à situação anterior, também foi aplicado uma carga de 1373.40 N nas duas rodas dianteiras, conforme Figura 3.19, agora no sentido do eixo X, visando pequenos impactos frontais, para também evitar a quebra da barra que sustenta as rodas dianteiras.
  40. 40. Figura 3.19 - Análise de tensão (por Von Mises) do Chassi 1 (Simulação 3). Fonte: AUTOR, 2013. 40 3.2.9 SIMULAÇÃO 4 Na Figura 3.20, representa a simulação dos condutores pedalando, praticando os esforços de 1200 N em cada eixos dos pedais, mas desta vez sem estar sentado, ou seja, somente se segurando no apoio de mão, sendo 1030 N em cada apoio, concentrando todo peso no centro da estrutura. Figura 3.20 - Análise de tensão (por Von Mises) do Chassi 1 (Simulação 4). Fonte: AUTOR, 2013. Apoio de Mão
  41. 41. 41 3.2.10 SIMULAÇÃO 5 Quando o veículo faz uma freada brusca, onde ocorrerá a desaceleração dos corpos dos ciclistas, referente à Figura 3.21, nesta simulação foi então aplicada uma carga de 1030 N (em ambos os apoios de mãos), mantendo o próprio peso do condutor de 1373.40 N nas regiões dos assentos. Figura 3.21 - Análise de tensão (por Von Mises) do Chassi 1 (Simulação 5). Fonte: AUTOR, 2013. 3.2.11 SIMULAÇÃO 6 Considerando o veículo numa curva, onde ocorrerá uma força peso tangencial à curva, nesta análise, visto na Figura 3.22, foi aplicada uma carga de 1030 N (sendo uma em cada apoio de mão), além do próprio peso do condutor de 1373.40 N.
  42. 42. Figura 3.22 - Análise de tensão (por Von Mises) do Chassi 1 (Simulação 6). Fonte: AUTOR, 2013. 42 3.2.12 RESULTADOS DAS SIMULAÇÕES No primeiro chassi desenvolvido, cinco das seis simulações realizadas ocorrem tensões maiores que 250 MPa suportados elasticamente pelo material, conforme Tabela 3.1. Tabela 3.1 – Tensões Máximas nas simulações de Chassi_1. Chassi_1 (20 mm x 20 mm x 2mm ) Tensões Máximas (MPa) Simulação_1 414 Simulação_2 341 Simulação_3 305 Simulação_4 412 Simulação_5 171 Simulação_6 346 Fonte: AUTOR, 2013.
  43. 43. 43 3.2.13 MELHORIA DE PERFIL Visando a melhoria e robustez do chassi anterior, toda a estrutura foi reforçada desenvolvida em um novo perfil, como visto na Figura 3.23, agora o Chassi_2 usando em todas as vigas o dimensionamento de 30mm x 20mm (mantendo espessura de 2mm). Figura 3.23 – Estrutura Chassi_2. Fonte: AUTOR. Portanto, foram realizados os mesmos passo a passos das simulações do capítulo anterior, obtendo novos resultados computados na Tabela 3.2, sendo possível analisar os resultados comparativos com os que foram realizados no chassi anterior (lembrando que foram realizadas as mesmas simulações de aplicações de cargas).
  44. 44. Tabela 3.2 – Tensões máximas comparativas de Chassi_1 e Chassi_2. Chassi_1 (MPa) 20 mm x 20 mm x 2 mm 44 Chassi_2 (MPa) 30 mm x 20 mm x 2 mm Simulação_1 414 274 Simulação_2 341 262 Simulação_3 305 197 Simulação_4 412 262 Simulação_5 171 113 Simulação_6 346 251 Fonte: AUTOR, 2013. Nesta segunda série de simulações realizadas no Chassi_2, agora com tubos de 30mm x 20mm, os resultados apresentaram melhorias que a do perfil anterior. Dos seis simulações de cargas realizados, em quatro delas houve deformação permanente, que ainda precisarão ser reforçados e melhorados. 3.2.14 ANALISE CRÍTICA E MELHORIA Com o objetivo de eliminar as quebras, foi analisado as tensões em cada tipo de simulação realizada, identificando as regiões críticas que precisam ser melhorados. Sendo assim, foi criado o Chassi_3, visando suportar novamente as simulações anteriores, afim de evitar deformação plástica. Na simulação_2 visto na Tabela 3.3, foi adicionado um tubo perfil 20mm x 20mm x 2mm na proposta de não causar falha no suporte da roda dianteira.
  45. 45. Tabela 3.3 – Análise crítica Chassi_2 x Chassi_3 (proposta de melhoria) Simulações Chassi_2 Chassi_3 45 Simulação_2 (Roda dianteira) Fonte: AUTOR, 2013. Já nos Ensaio_1 e Ensaio_4 visualizados na Tabela 3.4, a proposta foi usar tubos maiores, com 30mm x 30mm x 2mm, pois nesta região central do chassi, foi analisado e considerado a região que ocorrem as maiores tensões. Tabela 3.4 – Análise crítica Chassi_2 x Chassi_3 (proposta de melhoria). Simulações Chassi_2 Chassi_3 Simulação _1 (Roda traseira) Simulação_4 (Base do apoio de mão e volante) Fonte: AUTOR, 2013.
  46. 46. Por fim, no Ensaio_6 visto na Tabela 3.5, não foi necessário aumentar as dimensões do tubo retangular de 30mm x 20mm. Por ser um perfil retangular, obtêm se maior resistência quando a força atua no mesmo sentido de sua maior dimensão, sendo apenas rotacionado à 90º que antes estava. Tabela 3.5 – Análise crítica Chassi_2 x Chassi_3 (proposta de melhoria). Simulações Chassi_2 Chassi_3 46 Simulação_6 (Base de apoio de mão e volante) Fonte: AUTOR, 2013. Complementando as tabelas anteriores, na Figura 3.24 é possível identificar facilmente as regiões melhoradas para cada ensaio realizado. Figura 3.24 – Identificação das análises críticas e melhoria para o Chassi_3. Fonte: AUTOR, 2013.
  47. 47. 47 4 RESULTADOS 4.1 ANÁLISE DE TENSÃO COMPARTIVAS DOS CHASSIS As tensões máximas obtidas nas simulações do Chassi_3, em nenhum dos casos houve deformação permanente na estrutura, ou seja, na Tabela 4.1 observa-se que todas as tensões máximas foram menores que a tensão de escoamento do material, que resiste até 250 MPA. Tabela 4.1 – Análise de Tensão Máxima comparativa (revisão final) Chassi_1 (MPa) Chassi_2 (MPa) Chassi_3 (MPa) 3 tipos de tubos: - 20 mm x 20 mm - 30 mm x 20 mm - 30 mm x 30 mm Simulação_1 414 274 234 Simulação_2 341 262 109 Simulação_3 305 197 140 Simulação_4 412 262 237 Simulação_5 171 113 99 Simulação_6 346 251 236 Fonte: AUTOR, 2013. 4.2 DIMENSIONAMENTO FINAL DA ESTRUTURA Com as devidas alterações realizadas e após simulações sem falhas ou deformação plástica da estrutura, na Tabela 4.2, obtêm-se as dimensões necessárias dos 11 tubos necessários para manufatura, fabricação e montagem do chassi do quadriciclo, além de suportes e componentes aqui não especificado e/ou citados durante o projeto.
  48. 48. Tabela 4.2 – Dimensões definidas para Chassi_3. Chassi_3 48 Perfil Tubo Quantidade Tubos Comprimento (mm) Perfil_1) 20mm x 20mm x 2mm 1 1260 2 1187,9 2 195,3 Total 4026,4 Perfil_2) 30mm x 20mm x 2mm 1 1078 2 108,8 1 570,1 1 1260 Total 3125,7 Perfil_3) 30mm x 30mm x 2mm 2 2229,8 2 531,6 2 710 1 1260 Total 8202,8 Fonte: Autor, 2013. Complementando a tabela anterior, através da Figura 4.1, é possível identificar cada perfil utilizado e definido no Chassi_3, lembrando que a estrutura é simétrica.
  49. 49. Figura 4.1 – Perfil de tubos definidos em Chassi_3. Fonte: Autor, 2013. Pesando aproximadamente apenas 24 kg de massa conforme Tabela 4.3, a estrutura manteve se leve e também rígida. Além da estrutura, estima-se que os respectivos componentes e suportes o peso pode ser próximo dos 40 kg, dependendo das peças futuramente serem implementadas. Tabela 4.3 – Massa das estruturas desenvolvidas. Chassi_1 Chassi_2 Chassi_3 Massa 17.063 kg 21.719 kg 23.219 kg Fonte: AUTOR, 2013. 49
  50. 50. 50 5 CONCLUSÃO Com o material e simulações estabelecidas, a estrutura com o perfil inicial proposto foi incapaz de suportar as cargas aplicadas, ocasionando quebras devido à baixa resistência do perfil selecionado. Foi necessária a análise pelo método dos elementos finitos, observando as tensões máximas identificadas nas análises crítica das regiões a serem melhoradas. Com a aplicação de reforços e perfil maiores e repetindo as mesmas simulações de cargas, a estrutura foi então capaz de suportar os esforços sem que houvesse deformação plástica. As flexões pós-cargas não ultrapassaram a tensão de escoamento suportado pelo material, validando uma estrutura sem quebras, evitando o excesso de ensaios físicos e protótipos. Sendo assim, com a estrutura finalizada o próximo passo seria o estudo de todo o conjunto com os respectivos componentes montados, como visto na Figura 5.1, além de outras análises a serem feitas futuramente, como amortecimento, vibratórias, carga máxima no bagageiro (porta-malas), entre outras. Figura 5.1 – Montagem simulada de componentes. Fonte: Autor, 2013.
  51. 51. REFERÊNCIAS ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 14714: Veículo de duas rodas - Bicicleta - Conjunto quadro e garfo - Requisitos de segurança. ___________ NBR 14732: Veículo de duas rodas - bicicleta - aro de bicicleta. ___________ NBR 5665: Calculo Do Trafego Nos Elevadores. ALVES, Filho. Avelino. Elementos Finitos: A Base da Tecnologia CAE. – São Paulo: Érica, 2000. BEER, Ferdinand P.; JOHNSTON E. Russel Jr., Resistência dos Materiais, 4ª ed., Editora Mcgraw-hill, 2006. BOCCHESE, Cássio. SolidWorks – Projeto e Desenvolvimento, Editora Érica, 2004. CALÇADA, Caio Sérgio; SAMPAIO, José Luis. Física Clássica - Dinâmica Estática. 2ed, São Paulo: Atual, 1998. CALLISTER Junior, William D., Ciência e Engenharia de Materiais, 5º ed., Editora LTC – Livros Técnicos e Científicos Editora S.A., 2002. CRUZ, Michele David, CATIA V5R20 - Modelagem, Montagem e Detalhamento - 2D e 3D - Para Windows, 1ª ed., Editora Érica, 2010. GENERATIVE ESTRUCTURAL ANALYSIS. CATIA Version 5/Release 16. Page 145 to 1233. EUROPEAN STANDARD. EN 14766 - Mountain-bicycles: Safety requirements and test methods - 2005. 51
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  54. 54. 54 GLOSSÁRIO Área - conjunto de conteúdos (grupos temáticos comuns) que compõem os diferentes campos do saber. Análise Estrutural - uma área que estuda o comportamento das estruturas submetidas a cargas externas, podendo ter como conseqüência deformações e tensões superficiais. Ductilidade – é a propriedade que representa o grau de deformação que um material suporta até o momento de sua fratura. Elongação - é a distância do ponto de equilíbrio. Flexão - Corresponde a uma deformação que apresenta um elemento estrutural alongado em uma direção perpendicular a seu eixo longitudinal. Tenacidade - é a energia mecânica, ou seja, o impacto necessário para levar um material à ruptura. Triaxial – refere-se aquilo que possui três eixos. Uniaxial – é aquilo que só tem um eixo.

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