Análise Estrutural de um Chassi de Mini Baja

Universidade Federal do Oeste do Pará
Instituto de Engenharia e Geociências
Equipe Bajara
Analisado com o SOLIDWORKS Simulation Simulação de Gaiola 3D 1
Simulação de um Chassi de Mini
Baja para 22ª Competição Baja
SAE Brasil 2016
Data: sábado, 12 de março de 2016
Projetista: Equipe BAJARA
Nome do estudo: Capotamento e colisões especificadas
Tipo de análise: Análise estática

UFOPA Equipe BAJARA
12/03/2016
Introdução
A gaiola é a estrutura sustentadora de todos os subsistemas do veículo. Responsável também por
proteger a vida do piloto para condições específicas de impacto. Uma estrutura com essa finalidade deve
deformar-se e romper-se antes de transferir a energia de eventuais cargas sofridas para os subsistemas e em
último caso ao piloto. As hipóteses utilizadas neste estudo são de capotamento e colisões com outros veículos
em velocidade máxima.
O estudo foi realizado utilizando a ferramenta Simulation do Solidworks. A licença do produto foi
adquirida em forma de patrocínio para Equipe Bajara. O software possui a capacidade de aplicar malhas simples
e seus resultados neste primeiro estudo servem para a noção de como a estrutura deformará quando as hipóteses
utilizadas forem aplicadas. Os resultados são calculados e o Protocolo Australiano para projetos de carros é
utilizado para validar o estudo.

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Propriedades do estudo
Nome do estudo Capotamento ( carga frontal)
Tipo de análise Análise estática
Tipo de malha Malha de viga
Tipo de Solver Solver Direct Sparse
Efeito no plano: Desativada
Mola suave: Desativada
Atenuação inercial: Desativada
Opções de união incompatíveis Automático
Grande deslocamento Desativada
Calcular forças de corpo livre Ativada
Pasta de resultados Documento do SOLIDWORKS (C:UsersRodrigo
LoboDropboxBAJA SAEDesenhos ou modelos)
Unidades
Sistema de unidades: SI (MKS)
Comprimento/Deslocamento mm
Temperatura Kelvin
Velocidade angular Rad/s
Pressão/Tensão N/m^2

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Propriedades do material
Propriedades
Nome: Aço 1020
Tipo de modelo: Isotrópico linear
elástico
Critério de falha
predeterminado:
Não determinado
Limite de
escoamento: 𝟑, 𝟓𝟏𝟓𝟕𝟏 ∗ 𝟏𝟎 𝟖
𝑵
𝒎 𝟐
Resistência à tração:
𝟒, 𝟐𝟎𝟓𝟎𝟕 ∗ 𝟏𝟎 𝟖
𝑵
𝒎 𝟐
Módulo elástico:
𝟐 ∗ 𝟏𝟎 𝟖
𝑵
𝒎 𝟐
Coeficiente de
Poisson:
0.29
Massa específica:
𝟕𝟗𝟎𝟎
𝑲𝒈
𝒎 𝟑
Módulo de
cisalhamento: 𝟕, 𝟕 ∗ 𝟏𝟎 𝟏𝟎
𝑵
𝒎 𝟐
Tabela 1: propriedades do material.

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Informações de malha
Tipo de malha Malha de viga
Informações de malha - Detalhes
Total de nós 747
Total de elementos 697
Tempo para conclusão da malha (hh;mm;ss): 00:00:16
Nome do computador: WOLF
Figura 1: visão geral do modelo.

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Objetivo
Analisar a deformação elástica da estrutura quando submetida às tensões de capotamento e colisão.
Capotamento:
As forças aplicadas na estrutura foram calculadas com base na massa do veículo segundo a adr59 do
protocolo australiano para: carga frontal; carga lateral; carga vertical. Todas estas aplicadas ao Lateral
Cross-Member(LC) frontal superior. A escolha do elemento deve-se a esta ser a parte menos resistente da
estrutura a receber as cargas devido a um possível capotamento.
Carga frontal
Forças resultantes
Forças de reação
Conjunto de
seleção
Unidades Soma X
Soma Y Soma Z Resultante
Modelo inteiro N -377.701 5867.86 -0.000671387 5880
Momentos de reação
Conjunto de
seleção
Unidades Soma X
Modelo inteiro N.m 150.576 -14.3472 -18.6769 152.407

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Resultados do estudo
Nome Tipo Mín. Máx.
Tensão1 TXY: Cisalhamento na dir. Y no
plano YZ
0 N/m^2
Elemento: 12
3.11472e+008 N/m^2
Elemento: 30
Figura 2: Gaiola 3D-Capotamento ( carga frontal)-Tensão.
Deslocamento1 URES: Deslocamento resultante 0 mm
Nó: 13
2.91615 mm
Nó: 602

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Figura 3: deslocamento resultante.
Considerações
As figuras (2) e (3) mostram as tensões de resposta e contorno das deflexões, respectivamente. Observa-se na estrutura que
o ponto de deflexão máxima é no Lateral Cross-member (LC) superior, exato local de aplicação da força frontal de
capotamento. É possível notar também que a deformação é maior nos tubos Roll Hoop Overhead members(RHO). As
deformações apresentadas estão dentro dos limites de segurança e conforto da SAE-BRASIL de 150 mm. Os maiores
estresses na estrutura são observados no Front Bracing members (FBM). O limite de escoamento não foi atingido.

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Carga lateral.
Forças resultantes
Forças de reação
Conjunto de
seleção
Unidades Soma X
Modelo inteiro N -4440 0 0.00012207 4440
Conjunto de
seleção
Unidades Soma X
Modelo inteiro N.m -3.51277 -239.608 -265.541 357.681

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plano YZ
0 N/m^2
Elemento: 12
5.61158e+008 N/m^2
Elemento: 484
Figura 4: tensão de força lateral.
Nó: 13
24.8047 mm
Nó: 61

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Figura 5: deslocamento devido à carga lateral.
Considerações
As figuras (3) e (4) mostram a tensão de Von-Mises na estrutura e o contorno das deflexões, respectiamente. A análise de
falha mostra que uma força de capotamento aplicada lateralmente ao LC pode supercar o limite de escoamento da estrutura
e causar seu rompimento. A deflexão máxima é quase o dobro da recomenada pela SAE-BRASIL neste ponto. A amplitude
de tais deslocamentos começa a causar a aplicações de forças indesejadas ao piloto, não sendo ,entratanto, perigosa.

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Carga vertical aplicada ao Lateral Bracing Member(LC) superior
Forças resultantes
Forças de reação
Conjunto de
seleção
Unidades Soma X
Modelo inteiro N 3.05176e-005 -821.758 11731.3 11760
Conjunto de
seleção
Unidades Soma X
Modelo inteiro N.m -243.589 258.586 -25.076 356.133

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plano YZ
0 N/m^2
Elemento: 116
3.89102e+008 N/m^2
Elemento: 128
Figura 6: carga vertical.
Nó: 1
5.45889 mm
Nó: 136

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Figura 7: deslocamento devido à carga vertical.
Considerações
As figuras (5) e (6) mostram a tensão de Von-Mises e contorno das deflexões, respectivamente. Nos pontos onde o limite
de escoamento foi superado ocorrerá deformação permanente do corpo e barras em que isso ocorre são o LC e RHO. Apesar
da deformação elástica, a amplitude de deslocamento mostra conforto e ausência de perigo para o piloto.

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Forças de colisão
As forças de colisão apresentadas no modelo foram estimadas com base na taxa de variação do momento linear. A massa
utilizada foi a do veículo com todos os seus subsistemas sendo esta de aproximadamente 250 KG.
Colisão frontal com obstáculo estático
Acessórios de fixação e Cargas
Nome da
carga
Carregar imagem Detalhes de carga
Força de
colisão frontal
Entidades: 6 Vigas
Tipo: Aplicar força
Valores: ---, ---, -41500 N
Momentos: ---, ---, --- N.m
Forças resultantes
Forças de reação
Conjunto de
seleção
Unidades Soma X
Modelo inteiro N 0.000274658 249001 -0.000244141 249001
Conjunto de
seleção
Unidades Soma X
Modelo inteiro N.m -1246.02 0.929777 4.20792 1246.02

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plano YZ
0 N/m^2
Elemento: 43
1.54688e+009 N/m^2
Elemento: 96
Figura 8: tensão devido à colisão frontal com obstáculo fixo.
Nó: 30
6.69035 mm
Nó: 111

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Figura 9: deslocamento devido à colisão frontal.
Considerações
Esta força foi estimada quando o veículo está em linha reta e com velocidade máxima. A figura (6) e (7) mostram a tensão
de Von-Mises e o contorno das deflexões, respectivamente. O tubo sofredor do impacto atinge valores altíssimos de tensão
ao superar o limite de escoamento, mas não foram encontradas tensões de ruptura. A deflexão é maior no Front Bracing
Members (FBM) e se propaga para a parte de trás da estrutura diminuindo em amplitude à medida que avança. Seu valor
máximo está dentro dos limites de segurança e conforto.

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Colisão frontal com outro veículo em movimento à mesma velocidade máxima e massa
Nome da
carga
Pior força de
colisão frontal
Entidades: 6 Vigas
Valores: ---, ---, -83000 N
Momentos: ---, ---, --- N.m
Forças resultantes
Forças de reação
Conjunto de
seleção
Unidades Soma X
Modelo inteiro N 0.000549316 498001 -0.000488281 498001
Conjunto de
seleção
Unidades Soma X
Modelo inteiro N.m -2492.03 1.85955 8.41585 2492.05

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12/03/2016
plano YZ
0 N/m^2
Elemento: 43
3.09375e+009 N/m^2
Elemento: 96
Figura 10: tensão devido à força de colisão frontal com outro veículo à velocidade de 60 Km/h.
Nó: 30
13.3807 mm
Nó: 111

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12/03/2016
Figura 11: deslocamento devido à colisão frontal com outro veículo à velocidade de 60 Km/h.
Considerações
As figuras mostram as tensões de Von-Mises e contorno das deflexões, respectivamente. O limite de escoamento foi
bastante superado e as deformações nos pontos de ocorrência serão permanentes. A amplitude das deflexões supera atinge
níveis indesejados e altos. Este tipo de colisão deve ser amplamente evitado.

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12/03/2016
Colisão lateral de outro veículo
Nome da
carga
Força de
colisão lateral
Entidades: 6 Vigas
Valores: ---, ---, 41500 N
Momentos: ---, ---, --- N.m
Forças resultantes
Forças de reação
Conjunto de
seleção
Unidades Soma X
Modelo inteiro N -249000 0.00195313 -0.0078125 249000
Conjunto de
seleção
Unidades Soma X
Modelo inteiro N.m 94.4341 -11183.3 -9341.4 14571.8

UFOPA Equipe BAJARA
12/03/2016
plano YZ
0 N/m^2
Elemento: 28
6.42677e+009 N/m^2
Elemento: 553
Figura 12: tensão devido à colisão lateral de outro veículo a 60 km/h com a estrutura.
Nó: 30
242.297 mm
Nó: 292

UFOPA Equipe BAJARA
12/03/2016
Figura 13: deslocamento devido à colisão lateral de outro veículo à 60 km/h com a estrutura.
Considerações
As figuras mostram a tensão de Von-Mises e o contorno das deflexões, respectivamente. O limite de escoamento é superado
em pontos próximos a soldas, tornando este tipo de colisão mais perigoso para a estrutura. As deflexões máximas mostram
que o limite de segurança é ultrapassado e parte considerável da energia do impacto é transferida ao piloto.

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