(Parte 6 de 8)

Capítulo 1 INTRODUÇÃO AO PROJETO 13

informações das dimensões e da trajetória da ferramenta, necessárias para sua fabricação, podem ser geradas no sistema de CAD e enviadas pela rede para uma máquina controlada por computador em uma fábrica. Esta característica permite a produção de peças sem a necessidade de desenhos no papel, como mostra a Figura 1-5. A Figura 1-6 mostra a mesma peça depois que uma malha de elementos finitos foi criada pelo aplicativo CAD, antes de enviá-la para o software FEA para análise de tensões.

As técnicas anteriormente denominadas CAD fazem parte de um subgrupo de um tópico mais geral da engenharia auxiliada por computador (CAE), cujo termo significa que se trata de algo mais que uma simples geometria de peças. Entretanto, as distinções entre CAD e CAE continuam confusas à medida que aplicativos

§ N. de T.: Sigla de Computer-Aided Engi- neering.

FIGURA 1-2

Um modelo sólido feito com CAD do suporte da esfera do engate de reboque para trator da Figura 1-1.

FIGURA 1-3

Propriedades de massa do suporte da esfera calculadas pelo sistema CAD a partir de seu modelo sólido.

14 Projeto de Máquinas • Uma Abordagem Integrada

mais sofisticados tornam-se disponíveis. Na verdade, a descrição do uso de um sistema de CAD para modelagem sólida e do pacote de FEA juntos, conforme descrito no item anterior, é um exemplo de CAE. Quando alguma análise de forças, tensões, deflexões ou outros aspectos do comportamento físico do projeto é incluída, com ou sem os aspectos da geometria sólida, o processo é chamado de CAE. Muitos aplicativos comerciais realizam um ou mais aspectos do CAE. Os aplicativos FEA e BEA mencionados anteriormente estão nesta categoria. Veja o Capítulo 8 para mais informações sobre FEA. Simulações de forças dinâmicas nos mecanismos podem ser feitas com aplicativos como ADAMS[5] e Working

Model[6] . Alguns aplicativos, como ProEngineer[7], Solidworks[12], Unigraphics[4] e outros combinam aspectos de um sistema de CAD com capacidades de análise geral. Esses programas baseados em restrições permitem que sejam aplicadas

FIGURA 1-4

Representação aramada do chassi do suporte da esfera gerada a partir de seu modelo sólido em um sistema CAD.

26.0 D

10.0 D TYP. 2 PL. 70

Widgets Perfected Inc. Title: BALL BRACKET

Mat'l: AISI 1020 Hot-Rolled Steel x. ± 1 x.x ± 0.5 All dims in: mmBy: RLN 4/12/95 Dwg #: B–579328

FIGURA 1-5

Desenho cotado, projeções ortogonais, com três vistas, feito com um aplicativo de desenho CAD 2D.

Capítulo 1 INTRODUÇÃO AO PROJETO 15

restrições ao projeto que podem controlar a geometria da peça, uma vez que os parâmetros do projeto são variados.

Outras classes de ferramentas do CAE são de solucionadores de equações, como MATLAB[1], Mathcad[9], TK Solver[8] e planilhas como Excel[10]. Essas são erramentas de uso geral que permitem que qualquer combinação de equações seja codificada de forma conveniente e depois manipulam o grupo de equações (isto é, o modelo de engenharia) para diferentes valores dos dados e exibem convenientemente os resultados de forma tabular e gráfica. Os solucionadores de equações são inestimáveis para a solução das equações de força, tensão e deflexão nos problemas de projeto de máquinas, porque permitem que cálculos do tipo “o que ocorre se...” sejam feitos com rapidez. Os efeitos das mudanças das dimensões ou dos materiais sobre as tensões e deflexões na peça podem ser observadas de imediato. Na falta de um verdadeiro sistema de modelo sólido, um solucionador de equações também pode ser usado para aproximar as propriedades de inércia da peça enquanto itera a geometria e as propriedades do material das tentativas de projeto da peça. A iteração rápida até uma solução aceitável é, deste modo, facilitada.

O CD-ROM que acompanha o livro contém um grande número de modelos para vários solucionadores de equações como apoio ao exemplos e estudos de caso apresentados no livro. Introduções ao uso do TK Solver e do Mathcad, além de exemplos de uso de ambos, estão em arquivos PDF no CD-ROM. Além disso, os programas MOHR, CONTACT, ASDEQ, FOURBAR, FIVEBAR, SIXBAR, SLIDER, DYNACAM e MATRIX são oferecidos no CD-ROM para auxiliar no cálculo de solicitações dinâmicas e tensões que solucionam os problemas de projeto abertos.

Entretanto, deve-se ter em mente que essas ferramentas da computação são apenas ferramentas, e não substitutos para o cérebro humano. Sem uma compreensão total dos fundamentos da engenharia por parte do usuário, o computador não dará bons resultados. Entra lixo, sai lixo.§ Cuidado leitor!

Precisão computacional

Computadores e calculadoras facilitam a obtenção de respostas numéricas que possuem muitos valores significativos. Antes de escrever todos aqueles dígitos, é aconselhável que você recorde a precisão de suas hipóteses iniciais e os dados fornecidos. Se, por exemplo, as forças aplicadas são conhecidas até apenas dois

§ N. de T.: Garbage in, garbage out (GIGO)

= “entra lixo, sai lixo”; expressão que significa que a precisão e a qualidade da informação de saída dependem da qualidade da entrada.

FIGURA 1-6 Malha FEA aplicada ao modelo sólido do suporte da esfera no sistema CAD.

16 Projeto de Máquinas • Uma Abordagem Integrada dígitos significativos, é incorreto e enganoso expressar as tensões calculadas em mais dígitos significativos do que os dados de entrada possuem. Entretanto, é válido e apropriado fazer todos os cálculos intermediários com a maior precisão disponível em suas ferramentas de computação. Isso irá minimizar os erros de arredondamento. Mas, quando terminado, arredonde os resultados a um nível compatível de precisão com os dados conhecidos ou pressupostos.

1.6 O RELATÓRIO DE ENGENHARIA*

A comunicação de suas idéias e resultados é um aspecto muito importante da engenharia. Muitos estudantes de engenharia visualizam-se na prática profissional gastando a maior parte de seu tempo fazendo cálculos de forma semelhante à que faziam como estudantes. Felizmente, este raramente é o caso, pois seria muito enfadonho. Na verdade, os engenheiros gastam grande parte de seu tempo comunicando-se com os outros, verbalmente ou por escrito. Os engenheiros escrevem propostas e relatórios técnicos, realizam apresentações e interagem com o pessoal de apoio. Quando seu projeto estiver pronto, normalmente será necessário apresentar os resultados a seu cliente, seus colegas ou a seu superior. A forma habitual de apresentação é um relatório formal de engenharia. Além de um relatório por escrito do projeto, esses relatórios conterão normalmente desenhos ou esboços de engenharia conforme foi descrito anteriormente, bem como tabelas e gráficos dos dados calculados a partir do modelo de engenharia.

É muito importante que o estudante de engenharia desenvolva suas habilidades de comunicação. Você pode ser a pessoa mais inteligente do mundo, mas ninguém saberá disso se você não puder comunicar suas ideias claramente e deforma concisa. Na realidade, se você não puder explicar o que fez, é porque provavelmente você mesmo não compreendeu. Os exercícios de projeto do Capítulo 9 são planejados para serem descritos em relatórios formais de engenharia para lhe dar um pouco de experiência nesta importante habilidade da comunicação técnica. Informações sobre relatórios escritos de engenharia podem ser encontradas na literatura relacionada na bibliografia.

1.7 COEFICIENTES DE SEGURANÇA E NORMAS DO PROJETO

A qualidade de um projeto pode ser medida por meio de muitos critérios. É sempre necessário calcular um ou mais coeficientes de segurança para estimar a probabilidade de falha. Pode haver normas de projetos, de legislatura ou aceitos de forma geral, que também devem ser adotados.

Coeficiente de segurança

Um coeficiente de segurança (também chamado de fator de segurança) pode ser expresso de muitas formas. Ele é tipicamente a razão entre duas quantidades que possuem as mesmas unidades, como (resistência)/(tensão atuante), (esforço crítico)/ (esforço aplicado), (esforço que quebra a peça)/(esforço esperado em serviço), (máximo número de ciclos)/(número de ciclos solicitados) ou (velocidade que quebra)/ (velocidade em operação). Um coeficiente de segurança é sempre adimensional.

A forma de expressão de um coeficiente de segurança pode geralmente ser escolhida com base no tipo de esforço exercido sobre a peça. Por exemplo, considere o esforço sobre a parede de uma torre cilíndrica de água que nunca pode estar “mais do que cheia” de um líquido de densidade conhecida dentro de uma gama de temperaturas conhecidas. Uma vez que este esforço é altamente previsível ao longo do tempo, a razão entre a resistência do material e a tensão na parede de um tanque cheio pode ser uma definição apropriada para o coeficiente

* Extraído de Norton, Design of Machinery, 3.ed., McGraw-Hill, New York, 2004, com autorização da editora.

Capítulo 1 INTRODUÇÃO AO PROJETO 17 de segurança. Observe neste exemplo que a possibilidade de a ferrugem reduzir a espessura da parede ao longo do tempo deve ser considerada. (Ver Seção 4.17 para uma discussão sobre tensões nas paredes de um cilindro e Seção 7.6 para uma discussão sobre corrosão.)

Se essa torre cilíndrica de água estiver apoiada em pernas de sustentação, como colunas, seria apropriado um coeficiente de segurança para as pernas baseado na razão entre o esforço de flambagem crítico da coluna e o esforço de compressão aplicado sobre a torre cheia de água. (Ver Seção 4.16 para a discussão sobre flambagem de colunas.)

Se uma peça estiver sujeita a solicitações que variam de forma cíclica com o tempo, ela pode sofrer falha por fadiga. A resistência de um material à fadiga para alguns tipos de solicitação pode ser expressa como o número máximo de ciclos de tensão reversa em um dado nível de tensão. Nesses casos, pode ser apropriado expressar o coeficiente de segurança como a razão entre o número máximo de ciclos até a falha esperada do material e o número de ciclos aplicados à peça em serviço no tempo de vida desejado para ela. (Ver Capítulo 6 para uma discussão dos fenômenos de falha por fadiga e várias abordagens para o cálculo dos coeficientes de segurança em tais situações.)

O coeficiente de segurança de uma peça como uma roldana (polia) ou volante é frequentemente expresso como a razão entre sua velocidade máxima de segurança e a velocidade mais alta esperada em serviço. Em geral, se as tensões sobre as peças forem uma função linear do carregamento aplicado em serviço e se esse carregamento for previsível, então o resultado do coeficiente de segurança expresso como resistência/tensão ou carregamento de falha/carregamento aplicado será o mesmo. Nem todas as situações se encaixam nesses critérios. Algumas precisam de um índice não linear. Uma coluna é um exemplo, porque suas tensões são uma função não linear do carregamento (ver Seção 4.16). Portanto, a carga crítica (de falha) para uma coluna deve ser calculada para uma comparação com a carga aplicada.

Um outro fator complicador é introduzido quando as magnitudes das cargas aplicadas esperadas não são previsíveis com exatidão. Isso pode ser verdade em praticamente qualquer aplicação na qual o uso (e, portanto, o carregamento) da peça ou do dispositivo seja controlado por humanos. Por exemplo, realmente não há como impedir que alguém tente erguer um caminhão de 10 toneladas com um macaco projetado para erguer um automóvel de 2 toneladas. Quando o macaco falha, o fabricante (ou projetista) pode ser acusado, muito embora a falha provavelmente se deva mais “ao tolo por trás do macaco”. Em situações em que o usuário pode submeter o dispositivo a condições de sobrecarga, uma sobrecarga pressuposta pode ter que ser usada para calcular o coeficiente de segurança com base na razão entre a carga que causa falha e a sobrecarga de serviço pressuposta. Etiquetas advertindo contra uso inapropriado também podem ser necessárias nessas situações.

Uma vez que pode haver mais de uma forma de falha em potencial para qualquer elemento da máquina, pode haver mais de um valor para o coeficiente de segurança N. O menor valor de N para qualquer peça é o mais importante, já que ele prevê a forma mais provável de falha. Quando N é reduzido a 1, a tensão sobre a peça é igual à resistência do material (ou a carga aplicada é igual à carga que provoca falha, etc.), e a falha ocorre. Portanto, desejamos que N seja sempre superior a 1.

A escolha de um coeficiente de segurança

Escolher um coeficiente de segurança é quase sempre uma proposição confusa para o projetista iniciante. O coeficiente de segurança pode ser pensado como

18 Projeto de Máquinas • Uma Abordagem Integrada uma medida da incerteza do projetista quanto aos modelos analíticos e teorias de falhas, bem como dados de propriedades do material utilizado, e deve ser escolhido apropriadamente. Quão maior do que um deve ser N depende de muitos fatores, inclusive de nosso nível de confiança no modelo no qual os cálculos são baseados, de nosso conhecimento da variação das possíveis condições de carga em serviço e da nossa confiança nas informações de resistência do material disponíveis. Se tivermos feito testes extensos em protótipos físicos de nosso projeto para provar a eficácia de nosso modelo de engenharia e de nosso projeto, e se tivermos gerado dados experimentais sobre as resistências do material específico, será possível utilizar um coeficiente de segurança menor. Se nosso modelo não tiver sido tão bem testado ou se as informações das propriedade dos materiais forem menos confiáveis, um N maior é recomendável. Na ausência de qualquer norma de projeto que possa especificar N para os casos particulares, a escolha do coeficiente de segurança envolve uma decisão de engenharia. Uma abordagem razoável é determinar as maiores cargas esperadas em serviço (inclusive possíveis sobrecargas) e as mínimas resistências esperadas dos materiais, baseando os coeficientes de segurança nesses dados. Assim, o coeficiente de segurança torna- -se uma medida razoável de incerteza.

Se você voa de avião, poderá não se sentir muito confortável ao saber que os coeficientes de segurança de aeronaves comerciais estão entre 1,2 e 1,5. As aeronaves militares podem ter um N < 1,1, mas sua tripulação usa paraquedas. (Os pilotos de teste merecem os altos salários que recebem.) Os mísseis têm um N = 1, mas não possuem tripulação e não deverão retornar de qualquer maneira. Esses baixos fatores de segurança em aeronaves são necessários para manter o peso baixo, e são justificados por sofisticados modelos analíticos (geralmente envolvendo FEA), testes dos materiais realmente utilizados, extensos testes dos protótipos projetados e rigorosas inspeções de falhas incipientes do equipamento em serviço. A fotografia da primeira página deste capítulo mostra um elaborado equipamento de teste utilizado pela Boeing Aircraft Co. para testar mecanicamente a estrutura de um protótipo em escala real ou uma aeronave da linha de produção, aplicando a ele forças dinâmicas e medindo seus efeitos.

Pode ser difícil prever os tipos de carregamento que um conjunto suportará em serviço, especialmente se o carregamento estiver sob o controle do usuário final ou da Mãe Natureza. Por exemplo, que esforços deverão suportar a roda e a estrutura de uma bicicleta? Depende muito da idade, do peso e do grau de negligência do ciclista, do tipo de pista onde ela será usada, etc. O mesmo problema da incerteza das solicitações existe em todos equipamentos de transporte, navios, aeronaves, automóveis, etc. Os fabricantes dessas máquinas dedicam-se a extensos programas de testes para medir as solicitações operacionais típicas. Veja as Figuras 3-16 e 6-7 para exemplos de dados sobre esse tipo de solicitação em serviço.

(Parte 6 de 8)

Comentários