Análise modal de corpo livre, corpo rígido e colisões em um chassu de Mini BAJA

2. Introdução
A Equipe Bajara da Universidade Federal do Oeste do Pará, localizada
em Santarém – Pará- Brasil, realizou simulações de diversas situações
que poderiam ocorrer, utilizando o software Ansys, na execução de seu
projeto de construção de um veículo off-road. O propósito geral é
participar da 22º Competição Baja SAE Brasil na cidade de São José dos
Campos- SP – Brasil. O Chassi em formato de gaiola do veículo foi o
objeto de estudo.

3. 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.

4. Objetivos
Simular a resposta da estrutura do Chassi do veículo off-road nas
seguintes situações: análise modal de corpo livre e corpo rígido do
chassi; análise modal para a identificação de frequências cortantes ou
que fadiguem pontos importantes da estrutura com as soldas quando o
veículo trafegar por terrenos irregulares; comportamento do chassi
quando sujeito a colisões frontais e laterais; comportamento do chassi
em capotamentos.

5. Vocabulário
O seguinte vocabulário será adotado:
Rear Roll Hoop (RRH) ;
Roll Hoop Overhead members (RHO);
Lower Frame Side members (LFS) ;
Front Bracing members (FBM) ;
Lateral Cross Member (LC) ou (FLC);
Figura 1: nomes dos tubos do chassi.

6. Modelo de análise
Figura 2: modelo de chassi feito em um programa desenho assistido por
computador(sigla em inglês CAD).
Figura 3:foto do modelo real.

7. Figura 4: detalhes da geometria usada no ANSYS.
Figura 4: .detalhes das demais massas(piloto, motor e sistema de direção) que
fazem parte da estrutura.

8. Figura 5: sobre a malha aplicada na geometria.

9. Figura 5: unidades de medida adotadas.

10. O material do chassi: aço SAE 1020
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: detalhes do material dos tubos de aço do chassi.

11. Análise moda de corpo livre
Frequência(Hz)
As seis primeiras frequências são
zero. Isso significa que o Ansys não
teve problemas para reconhecer a
geometria.
Figura 6: As seis primeiras frequências são zero na análise modal corpo livre.
Tabela 2: doze primeiras frequências naturais da estrutura.

13. Vista geral
Figura 7: seis primeiros modos de vibrar quando a estrutura está presa onde
seria o sistema de suspensão.
Tabela 3: seis primeiras frequências do corpo rígido.

14. Frequência de torção capaz de causar fadigas nas juntas do Roll Hoop Overhead members(RHO) com os Laterais Cross Members (LC)
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15. Frequência de torção capaz de causar fadigas nas juntas do Lower Frame Side members
(LFS) com Under seat member (USM).
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16. Frequência de torção capaz de causar fadigas nas juntas do Lower Frame Side members
(LFS) com Under seat member (USM) , mas com maior intensidade e envolvendo mais
partes da estrutura.
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17. Frequência de torção capaz de causar fadigas nas juntas do Roll Hoop Overhead
members (RHO) fazendo com que haja fadigas nas soldas dessa parteda estrutura
dissipando também parte da energia para demais regiões da gaiola.
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18. Frequência de torção capaz de causar fadigas nas juntas da parte traseira da
estrutura onde ficam o motor e o tanque de combustível transmitindo até os Roll
Hoop Overhead members(RHO).
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19. Frequência de torção capaz de causar fadigas nas juntas dos
Roll Hoop Overhead members(RHO).
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20. Static structural analysis
Isso é válido para as análises do
capotamento e colisões.
Figura 8: detalhes da análise estática estrutural.

21. 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. A hipótese adotada para o valor
das tensões escolhidas baseia-se nas prováveis velocidades
desenvolvidas pelo veículo nas condições da competição possibilitando
deduzir a altura de salto com este passa por uma rampa em sua
velocidade máxima e consequentemente força de impacto com o solo.

22. Carga frontal
5880N

23. Detalhes da aplicação da força
Relação tempo(s) Vs Força(N)

24. A figura anterior e a animação acima mostram as deflexões. 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. As maiores deflexões são observadas nos Front Bracing members (FBM).
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25. 4440N

26. Detalhes da aplicação da força
Relação tempo(s) Vs Força(N)

27. A figura anterior mostra o contorno das deflexões. Os limites de deflexões estão dentro daqueles
recomendados pela SAE (150 mm) e adr59 (100mm).A amplitude de tais deslocamentos começa a causar a
aplicações de forças indesejadas ao piloto, não sendo ,entretanto, perigosa.
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28. 11760N

29. Detalhes da aplicação da força
Relação tempo(s) Vs Força(N)

30. A figura mostra o contorno das deflexões. Os pontos de maior deflexão são LC e RHO. A amplitude de deslocamento
mostra conforto e ausência de perigo para o piloto.
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31. 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.A velocidade utilizada foi de 60 km/h, a
máxima em que os efeitos da resistência do ar ainda são desprezíveis.

32. 249000N
249000N

33. Detalhes da aplicação da força
Relação tempo(s) Vs Força(N)

34. Esta força foi estimada quando o veículo está em linha reta e com velocidade máxima (60 km/h) . A figura mostra o contorno das
deflexões. 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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35. 249000N

36. Detalhes da aplicação da força
Relação tempo(s) Vs Força(N)

37. As figura anterior mostra o contorno das deflexões. As deflexões máximas
mostram que o limite de segurança não é ultrapassado, mas boa parte da
energia do impacto ainda será transmitida ao piloto.
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38. Conclusões
As análises modais de corpo livre e corpo rígido mostram claramente que a estrutura
construída está sujeita a vibrações que podem desgastar rapidamente seus pontos de solda
quando o veículo operar nas condições exigidas a longo prazo. Esse problema será resolvido
mudando-se a geometria da gaiola colocando tubos adicionais para amortecer tais
frequências.
As hipóteses de colisão e capotamento adotadas são a piores possíveis que a equipe foi capaz
de identificar. As simulações mostram que mesmo nessas situações a integridade física do
piloto será protegida embora o chassi possa sofrer danos irreversíveis.
Os próximos passos serão transformar o veículo gradativamente em um equipamento
agrícola capaz de atender pequenos produtores que não necessitam de máquinas muito
grande, mas ao mesmo tempo não podem mais utilizar ferramentas manuais. Para isso os
requisitos de projeto serão mais robustos para serem capaz de especificar uma máquina que,
como no projeto inicial, seja capaz de andar por terrenos extremamente acidentados e
cheios e obstáculos e consiga puxar cargas pesadas.

39. Fontes
• Ansys Costumer Portal(tutoriais sobre o ANSYS). Disponível
em<https://support.ansys.com/portal/site/AnsysCustomerPortal>
• Vehicle Standard (Australian Design Rule 59/00 – Standards For
Omnibus Rollover Strength) 2007. Disponível em : <
https://www.legislation.gov.au/Details/F2012C00535 >
• REGULAMENTO BAJA SAE BRASIL CAPÍTULO 7 REQUISITOS
MÍNIMOS DE SEGURANÇA.Disponível em: <
http://www.saebrasil.org.br/eventos/ProgramasEstudantis/site/baja2
011/Arquivos/RBSB%207%20-
%20Requisitos%20Minimos%20de%20Seguranca%20-
%20Emenda%202.pdf >