Cobef 2013 0139

Cobef 2013 0139

(Parte 1 de 2)

COBEF2013-0139 – ESTIMATIVA DE FLUXO DE CALOR E TEMPERATURA NUMA FERRAMENTA DE CORTE USANDO TÉCNICAS DE PROBLEMAS INVERSOS E ANSYS CFX®

Carlos Adriano Corrêa Ribeiro1 , cadrianocr@unifei.edu.br

João Roberto Ferreira1 , jorefe@unifei.edu.br

Hélcio Francisco Villa Nova1 , helcio.villanova@unifei.edu.br

SolidônioRodrigues de Carvalho3 , srcarvalho@mecanica.ufu.br

Rogério Fernandes Brito2 , rogbrito@unifei.edu.br

Sandro Metrevelle M. Lima e Silva1 , metrevel@unifei.edu.br

1 Universidade Federal de Itajubá - UNIFEI, Instituto de Engenharia Mecânica - IEM, Laboratório de Transferência de Calor - LabTC, Av. BPS, 1303, Bairro Pinheirinho, CEP 37.500-903, Caixa Postal 50, Itajubá, MG, Brasil.

2 Universidade Federal de Itajubá - UNIFEI, Rua Um, s/n, Distrito Industrial I, CEP 35.903-081, Itabira, MG, Brasil.

3 Universidade Federal de Uberlândia - UFU, Faculdade de Engenharia Mecânica - FEMEC, Av. João Naves de Ávila, 2160, Bairro Santa Mônica, CEP 38.400-902, Uberlândia, MG, Brasil.

Carlos Adriano Corrêa Ribeiro1 , cadrianocr@unifei.edu.br

João Roberto Ferreira1 , jorefe@unifei.edu.br

Hélcio Francisco Villa Nova1 , helcio.villanova@unifei.edu.br

SolidônioRodrigues de Carvalho3 , srcarvalho@mecanica.ufu.br

Rogério Fernandes Brito2 , rogbrito@unifei.edu.br

Sandro Metrevelle M. Lima e Silva1 , metrevel@unifei.edu.br

1 Universidade Federal de Itajubá - UNIFEI, Instituto de Engenharia Mecânica - IEM, Laboratório de Transferência de Calor - LabTC, Av. BPS, 1303, Bairro Pinheirinho, CEP 37.500-903, Caixa Postal 50, Itajubá, MG, Brasil.

2 Universidade Federal de Itajubá - UNIFEI, Rua Um, s/n, Distrito Industrial I, CEP 35.903-081, Itabira, MG, Brasil.

3 Universidade Federal de Uberlândia - UFU, Faculdade de Engenharia Mecânica - FEMEC, Av. João Naves de Ávila, 2160, Bairro Santa Mônica, CEP 38.400-902, Uberlândia, MG, Brasil.

Apresentado por: Rogério Fernandes Brito (UNIFEI )

Apoio:

Muitos processos em Engenharia têm seu desempenho afetado pelos elevados valores de temperatura.

Um exemplo é o processo de usinagem, em que a vida da ferramenta de corte é fortemente afetada pelas altas temperaturas que surgem durante este processo.

Logo, diminuiu-se seu desempenho, elevando os custos da operação e reduzindo a qualidade do produto acabado.

Muitos processos em Engenharia têm seu desempenho afetado pelos elevados valores de temperatura.

Um exemplo é o processo de usinagem, em que a vida da ferramenta de corte é fortemente afetada pelas altas temperaturas que surgem durante este processo.

Logo, diminuiu-se seu desempenho, elevando os custos da operação e reduzindo a qualidade do

O conhecimento das grandezas ( T e q”

) envolvidas nesse processo possibilita:

) desenvolver maneiras mais eficientes de refrigeração;

) especificar corretamente os parâmetros de corte do processo de usinagem.

Entretanto, a medição direta da temperatura em um processo de usinagem é de difícil execução devido ao movimento da peça e a presença do cavaco.

Assim, o uso de técnicas inversas em condução de calor, apresenta-se como uma boa alternativa para obtenção dessas grandezas (T )

, uma vez que essas técnicas permitem o uso de dados experimentais obtidos em regiões acessíveis.

O conhecimento das grandezas ( T e q”

) envolvidas nesse processo possibilita:

) desenvolver maneiras mais eficientes de refrigeração;

) especificar corretamente os parâmetros de corte do processo de usinagem.

Entretanto, a medição direta da temperatura em um processo de usinagem é de difícil execução devido ao movimento da peça e a presença do cavaco.

Assim, o uso de técnicas inversas em condução de calor, apresenta-se como uma boa alternativa para obtenção dessas grandezas (T )

, uma vez que essas técnicas permitem o uso de dados experimentais

Devem-se usar meios de instrumentação*corretos para mensurar os campos de temperatura na ferramenta, pois cada instrumento tem vantagens e desvantagens.

i) *Termopares: confiáveis ( problema: cavaco

*Câmeras e pirômetros: sem danos devido à presença problema: não conseguem captar a

temperatura exatamente na região de contato ).

Devem-se usar meios de instrumentação*corretos para mensurar os campos de temperatura na ferramenta, pois cada instrumento tem vantagens e desvantagens.

i) *Termopares: confiáveis ( problema: cavaco

*Câmeras e pirômetros: sem danos devido à presença problema: não conseguem captar a temperatura exatamente na região de contato

Logo, o uso de métodos numéricos ganhou espaço, no estudo de campos de temperatura.

Em decorrência da evolução dos computadores, cresceu-se o desenvolvimento e o uso dastécnicas inversas.

Logo, o uso de métodos numéricos ganhou espaço, no estudo de campos de temperatura.

Em decorrência da evolução dos computadores, cresceu-se o desenvolvimento e o uso dastécnicas

INTRODUÇÃO Problemas Térmicos–Método direto

Condições de contorno

Propriedades termofísicas

Campo de temperatura

Condições de contorno

Condições iniciais

Sistema térmico

Abordagem de um problema direto. ?

Problemas Inversos:

As técnicas de problemas inversos consistem em obter o valor de uma variável através da medição de outra grandeza que possa ser mensurada diretamente.

Propriedades termofísicas

Condições de contorno

Condições iniciais

Sistema térmicoCampo de temperatura

? Abordagem de um problema inverso.

Problemas Térmicos - Análise Experimental

Usaram termopares em seus estudos de temperatura em ferramenta de corte, com termopares soldados por descarga capacitiva.

Freund e kabelac, 2010

Utilizaram pirômetros óticos e câmeras de infravermelho, de maior precisão e menor tempo de resposta.

Gostimirovicet al., 2011 Mostraram que as elevadas temperaturas provocaram alterações na microestrutura da ferramenta

(reduzindo sua capacidade de resistir às tensões mecânicas).

Problemas Térmicos - Análise Experimental

Usaram termopares em seus estudos de temperatura em ferramenta de corte, com termopares soldados por descarga capacitiva.

Freund e kabelac, 2010

Utilizaram pirômetros óticos e câmeras de infravermelho, de maior precisão e menor tempo de resposta.

Gostimirovicet al., 2011 Mostraram que as elevadas temperaturas provocaram alterações na microestrutura da ferramenta (reduzindo sua capacidade de

Problemas Térmicos–Método Analítico

Wanget al., 2010 Obtiveram a distribuição de temperatura na ferramenta de corte.

Problemas Térmicos–Método Analítico Wanget al., 2010

Problemas Térmicos-Métodos Numéricos

Métodos dos Volumes Finitos;

Chang e Chang, 2006: Determinação das propriedades termofísicas.

Combinações entre métodos;

MEF:Discretizargeometria de material não homogêneo; MDF: Calcula o campo de temperatura.

Rouboae Monteiro, 2008: MEF e MDF: Simulação de processo de fundição.

Problemas Térmicos-Métodos Numéricos

Métodos dos Volumes Finitos;

Chang e Chang, 2006: Determinação das propriedades termofísicas.

Combinações entre métodos;

MEF:Discretizargeometria de material não homogêneo; MDF: Calcula o campo de temperatura.

Programas Comerciais emCFD. Pode-se resolver problemas diversos, como citados ema,bec.

Típicas aplicações de programas emCFD. a)

Escoamento em torno de veículos.

Escoamento em torno de aeronaves.

Escoamento em trocadores de calor.

Problemas Inversos

Apresentou diversas técnicas:

Técnica da função especificada; Método da regularização.

As técnicas inversas são aplicadas em...

Estimar propriedades termofísicas, segundo;

Obter as condições de contorno, segundo;

Problemas Inversos

Apresentou diversas técnicas:

Técnica da função especificada; Método da regularização.

As técnicas inversas são aplicadas em...

Estimar propriedades termofísicas, segundo;

Obter as condições de contorno, segundo; Battlagliaet al., 2001;

Uso do ANSYS CFX e Problemas Inversos.

Versatilidade dos programas comerciais de CAD/CAE-CFD;

Edição da geometria; Fácil atualização para diferentes condições;

Visualização da região de maior sensibilidade.

Uso do ANSYS CFX e Problemas Inversos.

Versatilidade dos programas comerciais de CAD/CAE-CFD;

Edição da geometria; Fácil atualização para diferentes condições;

Uso das técnicas inversas aplicadas em ferramentas de corte:

Jenet al.,2001: uso das técnicas numéricas inversas.

Carvalhoet al., 2006; Changet al., 2007; Ulutanet al., 2009: uso determopares inseridos próximos à aresta de corte.

Chang e Hung, 2005: uso de câmeras de infravermelho.

Uso das técnicas inversas aplicadas em ferramentas de corte:

Jenet al.,2001: uso das técnicas numéricas inversas.

Carvalhoet al., 2006; Changet al., 2007; Ulutanet al., 2009: uso determopares inseridos próximos à aresta de corte.

Uso do ANSYS CFX e Problemas Inversos.

Usou o ANSYS CFX 4.4 e Método da Máxima Descida, para analisar temperaturas em ferramentas de corte.

Usou o ANSYS CFX 4.4 e Método da Máxima Descida, para analisar temperaturas em brocas.

Uso do ANSYS CFX e Problemas Inversos.

Usou o ANSYS CFX 4.4 e Método da Máxima Descida, para analisar temperaturas em ferramentas de corte.

Huanget al., 2005: Usou o ANSYS CFX 4.4 e Método da Máxima Descida, para

Implementar uma metodologia numérica a qual utiliza-se de técnicas de problemas inversos juntamente com osoftware comercial ANSYS CFX v12.0®, com o objetivo de estimar o fluxo de calor e o campo de temperatura, em regime transiente, numa ferramenta de corte de torneamento.

Desenvolver um programa em FORTRAN, que tem implementada a técnica inversa, Função Especificada, para estimar o fluxo de calor aplicado na ferramenta, a partir do histórico de temperatura experimental, num determinado ponto.

Estimar o fluxo de calor e então usar mais uma vez o pacote

ANSYS CFX v12.0®, para obter o campo de temperatura em toda a ferramenta de corte.

Validar a metodologia comparando-se os resultados numéricos de temperatura com dados experimentais.

Implementar uma metodologia numérica a qual utiliza-se de técnicas de problemas inversos juntamente com osoftware comercial ANSYS CFX v12.0®, com o objetivo de estimar o fluxo de calor e o campo de temperatura, em regime transiente, numa ferramenta de corte de torneamento.

Desenvolver um programa em FORTRAN, que tem implementada a técnica inversa, Função Especificada, para estimar o fluxo de calor aplicado na ferramenta, a partir do histórico de temperatura experimental, num determinado ponto.

Estimar o fluxo de calor e então usar mais uma vez o pacote

ANSYS CFX v12.0®, para obter o campo de temperatura em toda a ferramenta de corte.

Validar a metodologia comparando-se os resultados numéricos

MODELO TÉRMICO TRIDIMENSIONAL Modelo Térmico do Conjunto

Área de contato Parafuso

Grampo

Ferramenta

Calço de fixação

Detalhe da interface de contato entre ferramenta de corte e a peça de trabalho.

Conjunto Ferramenta de Corte ( metal duro)

, Calço e Porta Ferramenta.

x z yCalço de fixação

Porta Ferramenta

MODELO TÉRMICO TRIDIMENSIONAL Equação Governante

Equação da difusão de calor:

Tk"0 Condições de contorno:na interface de contato com a peça;,q) t,z,y,x (

E como condição inicial: nas demais regiões do conjunto;

Onderepresenta a normal, para fora, nas coordenadas x, y e z,o
fluxo de calor, T a temperatura,a temperatura ambiente, a temperatura

inicial,ka condutividade térmica, =k/( cp ) a difusividade térmica e h o coeficiente de transferência de calor por convecção.

O problema direto consiste em resolver a equação da difusão de calor tridimensional, segundo as condições de contorno mencionadas anteriormente.

Para isto é usado o programa ANSYS CFX v12.0®, que resolve problemas térmicos utilizando o Método dos Volumes Finitos.

O problema direto consiste em resolver a equação da difusão de calor tridimensional, segundo as condições de contorno mencionadas anteriormente.

Para isto é usado o programa ANSYS CFX v12.0®, que resolve problemas térmicos utilizando o Método

SOLUÇÃO DO PROBLEMA INVERSO A técnica inversa adotada neste trabalho é a Função Especificada

A resolução de problemas inversos ocorre em função de minimizar uma função objetivo, que é dada pela equação:

F A técnica inversa adotada neste trabalho é a Função Especificada

A resolução de problemas inversos ocorre em função de minimizar uma função objetivo, que é dada pela equação:

ondeFé a função objetivo de erro quadrática,Texpa temperatura experimental,Tnuma temperatura calculada numericamente,nso número de sensores usados epo índice que denota op-ésimo sensor empregado. Para número de sensoresns= 1, tem-se:

F np inumiexp para um único termopar enpo número de pontos experimentais.

Técnica da Função Especificada.

Na Técnica da Função Especificada, são usados um determinado valor de tempos futurosr, para estimar o fluxo de calor no instante atual.

Já possui incorporada um processo de minimização da função objetivo dentro de seu algoritmo;

Esta técnica surgiu como uma melhoria para a técnica de

Esta técnica exige, primeiramente, o cálculo do coeficiente de sensibilidadeØ, que é feito numericamente, a partir do

Teorema de Duhamel, Corrêa Ribeiro, (2012

Técnica da Função Especificada.

Na Técnica da Função Especificada, são usados um determinado valor de tempos futurosr, para estimar o fluxo de calor no instante atual.

Já possui incorporada um processo de minimização da função objetivo dentro de seu algoritmo;

Esta técnica surgiu como uma melhoria para a técnica de

Esta técnica exige, primeiramente, o cálculo do coeficiente de sensibilidadeØ, que é feito numericamente, a partir do

Teorema de Duhamel, Corrêa Ribeiro, (2012

TÉCNICA INVERSA Técnica da Função Especificada

Temperatura no ponto T( x, y, z)

, no instante tm, é igual à temperaturaT0deste mesmo no instante inicial,t0, somada à variação de temperatura devido ao fluxo de calor.

Valor do fluxo estimado pela Técnica da Função Especificada, para um termopar.

1nppp1mpppnmpppexp qˆ Valor do fluxo estimado pela Técnica da Função Especificada, para um termopar.

Valor do fluxo estimado pela Técnica da Função Especificada, para mais de um termopar.

onde: ns é o número de sensores; r é o valor de tempos futuros; m é o índice geral de tempo; n é o contador de tempos futuros; Ø é o coeficiente de sensibilidade no ponto e τ é o incremento diferencial de tempo.

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