Conferencia COMSOL 2014 Resumo - 2 (reduzido por Rogerio)

Conferencia COMSOL 2014 Resumo - 2 (reduzido por Rogerio)

ESTIMATIVA DO FLUXO DE CALOR EM UMA FERRAMENTA DE CORTE DURANTE UM PROCESSO DE USINAGEM COM O USO DO PACOTE COMPUTACIONAL COMSOL® E DE TÉCNICAS DE PROBLEMAS INVERSOS

1.INTRODUÇÃO

Este trabalho propõe o uso de técnicas de problemas inversos em conjunto com os pacotes comerciais COMSOL Multiphysics® v4.4 e MATLAB® para obter o campo de temperatura na zona de contato em regime transiente, numa ferramenta de corte de torneamento, e para estimar o fluxo de calor, respectivamente.

Um programa em MATLAB®, com a técnica da função especificada, foi desenvolvido para estimar o fluxo de calor aplicado sobre a ferramenta de corte. A validação da metodologia proposta foi realizada em experimentos controlados em laboratório. 

2.FORMULAÇÃO TEÓRICA

2.1.Modelo Térmico e Uso do COMSOL

O problema tratado neste trabalho é representado pela Fig. 1a, que representa o conjunto ferramenta de corte, calco e porta-ferramenta. A geração de calor durante o processo de usinagem é indicada por uma distribuição do fluxo de calor q” (x, y, t) desconhecido. Uma vista detalhada do conjunto é mostrada na Fig. 1b.

O problema direto consiste na obtenção da solução da equação de difusão de calor, usando o COMSOL. Além disso, o COMSOL permite ajustar quaisquer condições de contorno, bem como a modelação da geometria, de modo a representar fielmente o sistema investigado como apresentado na Fig. 1a.

2.2.Problema Inverso

A técnica inversa adotada neste trabalho é a função especificada (Beck et al., 1985). Esta técnica requer o cálculo do coeficiente de sensibilidade que é feito numericamente a partir do Teorema de Duhamel (Correa Ribeiro, 2012). O coeficiente de sensibilidade é então obtido com a utilização de uma sonda numérica que segue as mudanças de temperatura nos pontos equivalentes onde os termopares foram colocados nos experimentos. Uma vez que o coeficiente de sensibilidade é conhecido, o fluxo de calor é estimado com o uso da técnica inversa.

3.ANÁLISE DOS RESULTADOS

O coeficiente de sensibilidade foi calculado usando o COMSOL, como o problema direto, utilizando-se condições de contorno de fluxo de calor igual a 1,0 W/m² e temperatura inicial igual a 0,0 ºC e um coeficiente de convecção médio de 20 W/m2K.

A Figura 2a apresenta o fluxo de calor estimado pela técnica inversa no presente trabalho e aquele estimado por Carvalho et al. (2006, 2009). Na Figura 2b, uma comparação entre as temperaturas experimentais e calculadas com o fluxo estimado nas posições T3, T6 e T7 é apresentada. Nesta figura, bons resultados podem ser vistos quando se comparam as temperaturas estimadas e experimentais, especialmente para o termopar T3.

As Figs. 3a, 3b, 3c e 3d apresentam o campo de temperatura, em Celsius, no conjunto usando o COMSOL, para os instantes 5 s, 10 s, 50 s e 80 s, respectivamente.

4.CONCLUSÕES

Uma melhora significativa na técnica para estimar o fluxo de calor e as temperaturas numéricas em um processo de usinagem foi apresentada neste trabalho. O uso de pacotes comerciais para as soluções numéricas de equações diferenciais que governam o fenômeno físico investigado deve ser destacado, pois estes programas permitem ajustar quaisquer condições de contorno, bem como, modelar a geometria de forma a representar fielmente o sistema investigado.

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