(Parte 5 de 8)

Estágio do projeto preliminar

Uma vez que delimitações gerais sejam definidas, algumas Decisões preliminares do projeto devem ser tomadas para se prosseguir. As razões e justificativas dessas decisões devem ser documentadas. Por exemplo, podemos decidir tentar uma seção transversal retangular maciça para uma barra conectora e escolher o alumínio como material de teste. Por outro lado, se reconhecermos a partir de nossa compreensão do problema que esta barra conectora estaria sujeita a acelerações significativas, variáveis com o tempo, que se repetiriam por milhões de ciclos, uma decisão melhor de projeto poderia ser usar uma barra oca ou uma seção de viga I para reduzir sua massa e também escolher o aço devido a sua vida infinita de resistência à fadiga. Portanto, essas decisões podem ter um efeito significativo sobre os resultados e quase sempre terão de ser alteradas ou abandonadas conforme fazemos iterações ao longo do processo do projeto. Tem-se observado com frequência que 90% das características de um projeto podem ser determinadas nos primeiros 10% do tempo total do projeto durante o qual essas decisões preliminares de projeto são tomadas. Se não forem boas decisões, po-

* Se houver a possibilidade de o projeto resultar em uma invenção patenteável, o livro de registros deverá estar definitivamente encadernado (não tipo fichário de folhas soltas) e suas páginas deverão ser numeradas consecutivamente, datadas e atestadas por alguém que compreenda o conteúdo técnico.

Tabela 1-2 Formulação e cálculo do problema

1Definir o problema Estágio de definição2Declarar os dados 3Elaborar hipóteses apropriadas

4Decisões preliminares do projeto

Estágio do projeto preliminar 5Croquis do projeto

6 Modelos matemáticos Estágio do projeto detalhado7Análise do projeto 8 Avaliação

9Documentar resultadosEstágio da documentação

Capítulo 1 INTRODUÇÃO AO PROJETO 9 derá não ser possível salvar o mau projeto por meio de modificações posteriores sem essencialmente reiniciá-lo. O conceito do projeto preliminar deverá ser documentado neste estágio com Croquis do projeto claramente desenhados e rotulados, para que sejam compreensíveis a outro engenheiro ou até ao próprio criador do projeto depois de algum tempo.

Estágio do projeto detalhado

Com um rumo de projeto tentativo estabelecido, podemos criar um ou mais modelos (matemáticos) de engenharia do elemento ou sistema para podermos analisá-lo. Esses modelos geralmente incluem um modelo do carregamento que consiste em diagramas de corpo livre que apresentam todas as forças, momentos e torques atuando sobre o elemento de máquina ou sistema e as equações apropriadas para seus cálculos. Os modelos dos estados de tensão e deflexão esperados nos locais de falha previstos são, então, definidos com as equações de tensão e deflexão apropriadas.

A análise do projeto é então feita utilizando esses modelos, e a segurança ou falha do projeto é determinada. Os resultados são avaliados em combinação com as propriedades dos materiais de engenharia escolhidos; toma-se a decisão de prosseguir com o projeto ou iterar para encontrar uma solução melhor retornando a uma etapa anterior do processo.

Estágio da documentação

Uma vez feitas tantas iterações quantas forem necessárias para se atingir resultados satisfatórios, a documentação do projeto do elemento de máquina ou do sistema deverá ser completada na forma de desenhos de engenharia detalhados, especificações dos materiais e da fabricação, etc. Se for feita uma abordagem apropriada, grande parte da tarefa de documentar pode ser realizada simultaneamente com os estágios anteriores, simplesmente mantendo-se registros precisos e claros de todas as hipóteses, cálculos e decisões de projeto realizados ao longo do processo.

1.4 O MODELO DE ENGENHARIA

O sucesso de qualquer projeto depende muito da validade e adequação dos modelos de engenharia utilizados para prever e analisar seu comportamento antes da construção de qualquer máquina. A criação de um modelo de engenharia útil para um projeto é provavelmente a parte mais difícil e desafiadora de todo o processo. Seu sucesso depende tanto de experiência como de habilidade. O mais importante é a compreensão completa dos princípios básicos e dos fundamentos da engenharia. O modelo de engenharia que estamos descrevendo aqui é uma coisa amorfa, que pode consistir em alguns croquis da configuração geométrica e em algumas equações que descrevam seu comportamento. É um modelo matemático que descreve o comportamento físico do sistema. Esse modelo de engenharia requer invariavelmente o uso de computadores para ser testado. A utilização de ferramentas de computação para analisar os modelos de engenharia será examinada na próxima seção. Um modelo físico ou protótipo geralmente vem mais tarde no processo e é necessário para provar a validade do modelo de engenharia por meio de experimentos.

Estimativa e análise de primeira ordem

Nunca é demais enfatizar o valor de se fazer até mesmo modelos muito simples de engenharia dos seus processos preliminares. Frequentemente, no começo de

10 Projeto de Máquinas • Uma Abordagem Integrada um projeto, o problema está tão vago e mal definido que é difícil desenvolver um modelo abrangente e completo na forma de equações que descrevam totalmente o sistema. O estudante de engenharia está acostumado com problemas totalmente estruturados, do tipo “Dados A, B e C, encontre D”. Se alguém pudesse identificar as equações apropriadas (modelo) para se aplicar a um determinado problema, seria relativamente fácil determinar uma resposta (que poderia até ser igual à que se encontra no final do livro).

Na prática, os problemas de projeto de engenharia não são deste tipo. Eles são muito desestruturados e devem ser estruturados por você antes de poderem ser resolvidos. Também não existe “resposta no final do livro” para ser consultada.* Esta situação deixa a maior parte dos estudantes e novos engenheiros muito nervosos. Eles enfrentam a síndrome do “deu branco”, não sabendo por onde começar. Uma estratégia útil é reconhecer que:

1 Você tem que começar por algum lugar.

2 Por onde quer que você comece, provavelmente esse não será o “melhor” lugar.

3 A mágica da iteração permitirá que você retroceda, melhore seu projeto e acabe tendo sucesso.

Com esta estratégia em mente, você pode sentir-se livre para fazer uma estimativa de uma configuração do projeto no início, pressupor qualquer condição limitante que achar apropriada e fazer uma “análise de primeira ordem”, que será somente uma estimativa do comportamento do sistema. Esses resultados permitirão que você identifique formas de melhorar o projeto. Lembre-se de que é preferível obter uma resposta aproximada razoável, mas rápida, que indique se o projeto funciona ou não, do que gastar mais tempo obtendo o mesmo resultado com casas decimais. Com cada iteração bem-sucedida, você aprimorará sua compreensão do problema, a precisão de suas hipóteses, a complexidade de seu modelo e a qualidade das suas decisões de projeto. Mais cedo ou mais tarde, você será capaz de refinar seu modelo a ponto de incluir todos os fatores relevantes (ou identificá-los como irrelevantes) e obter uma análise final de ordem superior, na qual você terá mais confiança.

Croqui de engenharia

O croqui de uma concepção é geralmente o ponto inicial de um projeto. Pode ser um croqui à mão livre, mas deve sempre ser feito razoavelmente em escala para exibir proporções geométricas realistas. Esse croqui quase sempre serve ao propósito primário de comunicar a concepção a outros engenheiros e inclusive ao próprio criador do projeto. Uma coisa é ter uma vaga concepção em mente e outra bem diferente é defini-la em um croqui. Esse croqui deve, no mínimo, conter três ou mais vistas ortográficas, alinhadas de acordo com a convenção apropriada de desenho, e pode também incluir uma vista isométrica ou axiométrica. A Figura 1-1 mostra um croqui à mão livre de um projeto simples do subconjunto de engate para reboque de um trator. Ainda que geralmente incompleto em termos dos detalhes necessários para fabricação, o croqui de engenharia deve conter informações suficientes para permitir o desenvolvimento de um modelo de engenharia para projeto e análise. Ele deve incluir informações fundamentais, mesmo que aproximadas, de dimensões, algumas hipóteses de materiais e quaisquer outros dados pertinentes para seu funcionamento que sejam necessários para análise posterior. O croqui de engenharia capta alguns dos dados e hipóteses feitas, mesmo que implicitamente, no início do projeto.

* Um estudante comentou certa vez que “A vida é um problema de numeração ímpar”. Este (lento) autor teve que pedir uma explicação, que foi: “A resposta não está no final do livro”.

Capítulo 1 INTRODUÇÃO AO PROJETO 1

1.5 PROJETO E ENGENHARIA AUXILIADOS POR COMPUTADOR

O surgimento do computador provocou uma verdadeira revolução no projeto e na análise de engenharia. Problemas cujos métodos de solução eram conhecidos literalmente por séculos, e que continuavam sendo praticamente insolúveis devido à alta demanda computacional, agora podem ser resolvidos em minutos em microcomputadores de baixo custo. Métodos tediosos de soluções gráficas foram desenvolvidos no passado para contornar a falta de um poder computacional disponível com réguas de cálculo. Alguns desses métodos ainda têm valor porque podem mostrar os resultados de uma forma compreensível, mas não se pode mais “fazer engenharia” sem utilizar o instrumento mais recente e mais poderoso: o computador.

À medida que o projeto prossegue, os incipientes croquis à mão livre realizados nos estágios iniciais serão suplantados por desenhos formais feitos ou com o equipamento convencional da prancheta ou – o que tem sido cada vez mais comum – com aplicativos de projeto auxiliado por computador ou de desenho auxiliado por computador. Se a distinção entre esses dois termos (ambos com a mesma sigla, CAD) foi alguma vez clara (um tema de debate que será evitado aqui), agora esta distinção está desaparecendo à medida que aplicativos de CAD cada vez mais sofisticados tornam-se disponíveis. Os sistemas de CAD originais de uma geração atrás eram essencialmente ferramentas de desenho que permitiam a criação de desenhos de vista múltipla gerados por computador semelhantes aos feitos durante séculos manualmente na prancheta. Os dados armazenados nesses sistemas de CAD iniciais eram representações estritamente bidimensionais de projeções ortográficas da geometria 3D verdadeira da peça. Somente as bordas da peça eram definidas no banco de dados. Este modelo era denominado modelo de aramado (wireframe). Alguns pacotes de CAD 3D também usam representação de aramado.

Versões atuais da maioria dos aplicativos de CAD permitem (e alguns requerem) que a geometria das peças seja codificada em um banco de dados 3D como modelos sólidos. Em um modelo sólido, as arestas e as faces da peça são defi- nidas. A partir dessa informação de 3D, as vistas ortográficas convencionais em § N. de T.: Sigla de Computer-Aided Design.

Suporte da esfera

Canal Esfera

FIGURA 1-1 Croqui à mão livre do subconjunto de engate de reboque para trator.

12 Projeto de Máquinas • Uma Abordagem Integrada

2D podem ser geradas automaticamente se desejado. A principal vantagem de se criar um banco de dados geométrico do modelo sólido em 3D para qualquer projeto é que as informações sobre as propriedades de massa podem ser rapidamente calculadas (isso não é possível em um modelo aramado 2D ou 3D). Por exemplo, ao projetar a peça de uma máquina, temos que determinar o local de seu centro de gravidade (CG), sua massa, seu momento de inércia da massa e as propriedades geométricas da seção transversal em vários locais. Deve-se determinar essas informações a partir de um modelo de 2D feito fora do CAD. Isso é cansativo de se fazer e será apenas aproximado quando a geometria for complexa. Mas se a peça for projetada em um sistema CAD de modelo sólido, como o ProEngineer[7] ,

Unigraphics[4] ou muitos outros, podem-se calcular instantaneamente as propriedades de inércia de peças com geometrias mais complicadas.

Os sistemas de modelo sólido geralmente oferecem uma interface para um ou mais programas de análise de elementos finitos (FEA) e permitem transferência direta da geometria do modelo para o programa de FEA para análise de tensões, vibrações e transferência de calor. Alguns sistemas de CAD incluem a capacidade de geração de malhas que cria uma malha de elementos finitos automaticamente antes de enviar os dados para o software de FEA. Essa combinação de ferramentas proporciona um meio extremamente poderoso para se obter projetos superiores cujas tensões são mais precisamente conhecidas do que seria possível utilizando as técnicas de análise convencionais quando a geometria é complexa.

Embora seja muito provável que os leitores deste livro venham a usar as ferramentas do CAD que incluem métodos de análise de elementos finitos ou de elementos de contorno (BEA), ainda se faz necessário que os fundamentos da análise de tensão aplicada sejam completamente compreendidos. É esta a finalidade deste texto. As técnicas de FEA serão discutidas nos Capítulos 4 e 8, mas não serão enfatizadas neste livro. Ao contrário, vamos nos concentrar nas técnicas de análise de tensões clássicas, para uma compreensão completa de seus fundamentos e de suas aplicações ao projeto de máquinas.

Os métodos FEA e BEA estão se tornando rapidamente os métodos preferidos para a solução de problemas complicados de análise de tensões. Contudo, existe um risco em se utilizar dessas técnicas sem uma compreensão sólida da teoria por trás delas. Esses métodos sempre levarão a alguns resultados. Infelizmente, esses resultados podem ser incorretos se o problema não for bem formulado ou se não tiver uma malha adequada com os limites corretamente aplicados. Ser capaz de reconhecer os resultados incorretos de uma solução encontrada com o auxílio do computador é extremamente importante para o sucesso de qualquer projeto. O Capítulo 8 oferece uma breve introdução ao FEA. O estudante pode fazer alguns cursos de FEA e BEA para conhecer mais essas ferramentas.

A Figura 1-2 mostra um modelo sólido do suporte da esfera da Figura 1-1, que foi criada por meio de um aplicativo CAD. A vista sombreada isométrica no canto superior direito mostra que o volume sólido da peça está definido. As outras três vistas mostram projeções ortográficas da peça. A Figura 1-3 mostra dados das propriedades de inércia calculados pelo aplicativo. A Figura 1-4 mostra o modelo aramado da mesma peça gerada a partir do banco de dados de geometria sólida. Uma versão aramada do modelo é usada principalmente para reduzir o tempo de desenho na tela quando se trabalha no modelo. Há muito menos informações exibidas na representação aramada para calcular do que na representação sólida da Figura 1-2.

A Figura 1-5 mostra um desenho totalmente cotado, ortográfico e com vista múltipla do suporte da esfera, que foi gerado pelo aplicativo Computervision. Uma outra grande vantagem de se criar um modelo sólido de uma peça é que as

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