Projeto do chassis de uma viatura fórmula

Projeto do chassis de uma viatura fórmula Nicolas Fernandes Venâncio Relatório do Projecto Final / Dissertação do MIEM Orientador na FEUP: Prof. Ferreira Duarte Co-orientador na FEUP: Prof. Abel Santos Aluno Erasmus da escola Arts et Métiers ParisTech Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica Junho de 2013 Projeto de um monolugar: análise do chassis ii A minha família e minha namorada Projeto de um monolugar: análise do chassis iii Resumo Em competição automóvel, o objectivo é de ir sempre mais rápido. As boxes de Formula 1 são sujeitas a uma pressão consequente e são obrigadas a desenvolver novas tecnologias. Nos componentes de um carro de competição, o desenvolvimento do chassis é primordial para melhorar as características do carro. Foi estudado, neste trabalho, a geometria do chassis do monolugar Gloria B4. O objectivo deste trabalho foi realizar uma análise por elementos finitos do chassis apoiando-se sobre o regulamento internacional imposto pela FIA “Formula Livre 2013”. Antes de realizar os ensaios finais, uma série de ensaios foram realizados sobre geometrias simples, tal como uma viga em tracção ou em flexão, para analisar os resultados obtidos pelos softwares em comparação com resultados analíticos. Após essa análise, os ensaios preconizados pelo regulamento foram aplicados ao chassis de várias formas: impondo forças e impondo deslocamentos. As diferentes simulações efectuadas permitiram concluir que o chassis do Gloria B4, e mais precisamente o arco de segurança do mesmo, responde favoravelmente aos ensaios impostos pelo regulamento da FIA Projeto de um monolugar: análise do chassis iv Abstract In motor racing, the objective is to go always faster. The boxes of Formula 1 are subject to a consequent pressure and are required to develop new technologies. In the components of a racing car, chassis development is crucial to improve the characteristics of the car. In this work, the geometry of the chassis single seater Gloria B4 was studied. The aim of this study was to analyze finite element frame leaning on the International Regulations imposed by the FIA "Free Formula 2013". Before performing final testing, a series of experiments were conducted on simple geometries, such as a beam in tension or flexion, to analyze the results obtained by the software and compared them with analytical results. After this analysis, the tests recommended by the regulation were applied to the chassis in several ways: by imposing forces or imposing displacements. The different simulations showed that the chassis Gloria B4, and more precisely the rollbar, responds favorably to the tests imposed by the FIA regulation. Projeto de um monolugar: análise do chassis v Agradecimentos Em primeiro lugar, agradeço ao meu orientador, o Professor José Ferreira Duarte, não só pela orientação neste trabalho, mas também pela disponibilidade e bons conselhos ao longo do curso. Ao meu co-orientador, o Professor Abel Santos, que, com muita paciência, me guiou no meu trabalho, propondo-me caminhos a seguir e me ajudou na análise dos resultados obtidos. Ao Professor Marco Parente, que me ajudou a perceber melhor os softwares utilizados ao longo do projeto, e me permitiu optimizar os ensaios efectuados. À minha namorada, Camille Rabou, pelo apoio determinante nesta fase final do curso. À minha família, por todo o apoio incondicional que sempre meu deu, pela ajuda fornecida durante os meus anos de curso. Projeto de um monolugar: análise do chassis vi Índice de Conteúdos 1!Introdução............................................................................................................................1! 2!Concepção de um chassis de competição ..........................................................................5! 2.1!Os tipos de chassis............................................................................................................... 5 2.1.1 Chassis em escadas ............................................................................................................... 4! 2.1.2 Chassis cruciforme.................................................................................................................. 5 2.1.3 Chassis tubular ...................................................................................................................... 7! 2.1.4 Chassis monocoque................................................................................................................ 8 2.1.5 Chassis combinado............................................................................................................... 10 2.1.6 Conclusão ............................................................................................................................. 10! 2.2!Regulamento da FIA ........................................................................................................... 12 2.2.1 Dimensões e posicionamento das estruturas de segurança ................................................ 11 2.2.2 Ensaios a realizar sobre os arcos de segurança .................................................................13! 2.3!Utilização dos softwares ..................................................................................................... 16 2.3.1 Modelização do chassis ........................................................................................................ 15 2.3.2 Simulação por elementos finitos .......................................................................................... 15! 2.3.3 Resultados obtidos................................................................................................................ 16 3!Preparação para a análise do chassis Gloria B4...............................................................18! 3.1!Metodologia......................................................................................................................... 18 SolidWorks ..................................................................................................................................... 17 FEMAP .......................................................................................................................................... 18! Abaqus ........................................................................................................................................... 20 3.2!Estudo analítico VS MEF .................................................................................................... 23 3.2.1 Estudo a tracção/compressão – análise do impacto do número de elementos.................... 23 3.2.2 Estudo a flexão – análise do impacto do número de elementos .......................................... 26! 3.2.3 Estudo a flexão – análise da junção entre as vigas .............................................................. 29 3.2.4 Geometria com 5 vigas - análise do impacto do número de elementos ............................... 30 3.3!Conclusões ......................................................................................................................... 35! 4!Homologação do chassis...................................................................................................37! 4.1!Interpretação do regulamento ............................................................................................. 37 Fixação ao nível dos apoios da suspensão ................................................................................... 36 Fixação ao nível da parte baixa do chassis ................................................................................... 37! Fixação ao nível do arco de segurança ......................................................................................... 37 4.2!Casos estudados ................................................................................................................ 40! 5!Arco de segurança principal ..............................................................................................42! 5.1!Aplicação de forças............................................................................................................. 42 5.1.1 Condições fronteiras ao nível do arco de segurança............................................................ 41 5.1.2 Condições fronteiras ao nível da parte baixa do chassis...................................................... 46! 5.2!Aplicação do deslocamento ................................................................................................ 54! 6!Arco de segurança secundário ..........................................................................................61! 7!Conclusões e perspectivas de trabalho futuro...................................................................63! 7.1!Conclusões ......................................................................................................................... 63! 7.2!Trabalhos futuros ................................................................................................................ 63! Projeto de um monolugar: análise do chassis vii 8!Referências e Bibliografia..................................................................................................65 8.1!Referências bibliográficas ................................................................................................... 64! 8.2!Referências online .............................................................................................................. 64! ANEXO A:!Estudo analítico do sistema de 5 vigas...............................................................66! ANEXO B:!Plasticidade do material 25CrMo4 ......................................................................70! Projeto de um monolugar: análise do chassis viii Índice de Figuras Figura 1 Formula 1 RedBull.......................................................................................................1! Figura 2 Modelização do esquema de duas moléculas de ar frente a um aileron.......................3! Figura 3 chassis em escadas .......................................................................................................4! Figura 4 Exemplos de chassis em escadas .................................................................................6! Figura 5 Estrutura em cruz .........................................................................................................7! Figura 6 Estrutura de chassis cruciforme ...................................................................................7! Figura 7 Estrutura de chassis tubular..........................................................................................8! Figura 8 Tubo a secção circular Figura 9 Tubo a secção quadrada .....................................................................................................................................8! Figura 10 Utilidade das barras para triangular as superfícies.....................................................9! Figura 11 Estrutura chassis monocoque em carbono de um veiculo de competição ...............10! Figura 12 Estrutura de um chassis automóvel de produção em massa.....................................11! Figura 13 Dimensões exigidas pelo regulamento.....................................................................13! Figura 14 Dimensões a respeitar para a estrutura principal......................................................13! Figura 15 Representação das cargas seguinte o regulamento da FIA ......................................14! Figura 16 Modelização do chassis em SolidWorks ..................................................................16! Figura 17 Resultado obtido em Abaqus apôs a simulação .......................................................17! Figura 18 Formula Gloria B4 ...................................................................................................18! Figura 19 Modelização do chassis em SolidWorks ..................................................................19! Figura 20 Estrutura tal como exportada do software SolidWorks ............................................20! Figura 21 Estrutura dividida por família de cores....................................................................20! Figura 22 Discretização da estrutura ........................................................................................21! Figura 23 Estrutura malhada ....................................................................................................21! Figura 24 Estrutura tal como exportada do software FEMAP .................................................21! Figura 25 Condições fronteiras a nível dos pontos de apoio da suspensão..............................22! Figura 26 Carga a nível do topo do arco de segurança principal .............................................22! Figura 27 Resultado obtido pelo software apôs simulação ......................................................22! Figura 28 Geometria e dimensões do tudo utilizado................................................................24! Figura 29 Esquema da viga solicitada em compressão ............................................................24! Figura 30 Viga antes da simulação...........................................................................................25! Figura 31 Viga apôs simulação para um numero de elementos n=60 -....................................26! Figura 32 Viga apôs simulação para um numero de elementos n=60 –...................................26! Projeto de um monolugar: análise do chassis ix Figura 33 Esquema da viga solicitada em flexão.....................................................................27! Figura 34 Viga apôs simulação para um numero de elementos n=60 –...................................28! Figura 35 Viga após simulação para um numero de elementos n=60 -...................................29! Figura 36 Esquema da primeira geometria: viga única............................................................30! Figura 37 Esquema da segunda geometria: viga dividida em duas partes ...............................30! Figura 38 Esquema do sistema de 5 vigas................................................................................31! Figura 39 Sistema antes da simulação para um número de elementos n=50 ...........................33! Figura 40 Sistema apôs simulação para um numero de elementos n=50 –..............................33! Figura 41 Sistema apôs simulação para um numero de elementos n=50 –..............................34! Figura 42 Resumo dos resultados do ensaio de compressão....................................................34! Figura 43 Resumo dos resultados do ensaio de flexão.............................................................34! Figura 44 Resumo dos resultados do ensaio sobre o sistema de 5 vigas..................................35! Figura 45 Fixação do chassis a nível da suspensão..................................................................37! Figura 46 Fixação do chassis a nível da parte baixa ................................................................38! Figura 47 Fixação ao nível do arco de segurança.....................................................................38! Figura 48 Aplicação das forças do nó do topo do arco ............................................................40! Figura 49 Aplicação de um deslocamento no disco.................................................................41! Figura 50 Condições fronteiras no caso da força vertical ........................................................43! Figura 51 Resultados obtidos pelo software - força vertical / arco fixo...................................43! Figura 52 Condições fronteiras no caso da força longitudinal.................................................44! Figura 53 Resultados obtidos pelo software - força longitudinal / arco fixo ...........................44! Figura 54 Condições fronteiras no caso da força lateral ..........................................................45! Figura 55 Resultados obtidos pelo software - força lateral / arco fixo.....................................45! Figura 56 Condições fronteiras no caso de todas as forças......................................................46! Figura 57 Resultados obtidos pelo software - forças Fv, FL e Fl / arco fixo...........................45! Figura 58 Condições fronteiras no caso da força vertical ........................................................47! Figura 59 Resultados obtidos pelo software - força vertical / chassis fixo ..............................48! Figura 60 Condições fronteiras no caso da força longitudinal.................................................48! Figura 61 Resultados obtidos pelo software - força longitudinal / chassis fixo.......................49! Figura 62 Tensões de von Mises – força longitudinal / chassis fixo ........................................49! Figura 63 Condições fronteiras no caso da força lateral ..........................................................50! Figura 64 Resultados obtidos pelo software - força lateral / chassis fixo ................................50! Figura 65 Tensões de von Mises – força lateral / chassis fixo..................................................51! Figura 66 Deslocamento – força lateral / chassis fixo..............................................................51! Projeto de um monolugar: análise do chassis 4 Dum ponto de vista da segurança, para equipar o veículo dum chassis o mais rígido possível (para garantir uma segurança máxima para o piloto), pode-se jogar na sua forma, sua massa ou o material que o constitui. Projeto de um monolugar: análise do chassis 5 2 Concepção de um chassis de competição 2.1 Os tipos de chassis Ao longo da história automóvel, os chassis evoluíram para fornecer aos veículos performances cada vez mais interessantes. Podem-se referir 5 grandes tipos de chassis: • Chassis em escadas • Chassis cruciforme • Chassis tubular • Chassis monocoque • Chassis combinado 2.1.1 Chassis em escadas Historicamente, o chassis dito em escadas foi o primeiro a aparecer: quase todos os fabricantes de automóveis até o início dos anos 60 usaram esse tipo de chassis. Os carros eram construídos com base no chassis, no qual se vinha pousar uma superstrutura e uma carroçaria. Como seu nome indica, a concepção do chassis assemelhava-se a umas escadas, formadas por duas longarinas longitudinais entre ligadas por várias travessas. O chassis tinha por objectivo de fornecer a ele só toda a resistência a flexão e a torção ao veículo. Longarinas Travessa Figura 3 chassis em escadas Projeto de um monolugar: análise do chassis 6 Vantagens: • Possibilidade de concepção manual • Capacidade de lidar com cargas pesadas! • Grande variedade de formas e de tipos de carroçarias e de superstruturas! Desvantagens: • Rigidez torsional pouca elevada (devido ao facto de ser um chassis 2D)! Quem usa: • Carros antigos! • Alguns SUVs (SsangYong ...) • Autocarros, camiões, pick-ups Figura 4 Exemplos de chassis em escadas 2.1.2 Chassis cruciforme O ponto negro do chassis em escadas sendo a sua rigidez torsional, acrescentou-se uma estrutura em cruz onde nenhum dos elementos é submetido a torção: de facto, os dois feixes só estão solicitados em flexão pura. Neste tipo de configuração, a rigidez torsional do chassis torna-se dependente da rigidez da junta central: quanto mais a rigidez da junta é elevada quanto mais a rigidez do chassis aumenta. A junta torna a ser a zona mais crítica na qual o momento de flexão é máximo. Projeto de um monolugar: análise do chassis 7 Figura 5 Estrutura em cruz Geralmente, combina-se as vantagens do chassis em escadas e a dos chassis cruciforme numa estrutura em escadas reforçada com uma cruz: obtém-se então uma rigidez mais elevada em flexão e em torção. Figura 6 Estrutura de chassis cruciforme As travessas dianteiras e traseiras participam a uma boa recuperação dos esforços laterais e dos momentos de torção. Projeto de um monolugar: análise do chassis 8 2.1.3 Chassis tubular As estruturas explicadas anteriormente são essencialmente bidimensionais (excepto a espessura dos componentes). Recorrendo a uma estrutura tridimensional, melhora-se as propriedades de flexão e de torção aumentando os momentos de inércia. O chassis tubular é composto por vários tubos para criar um chassis em 3D. Os tubos são colocados em várias direcções para lidar com as forças que eles precisam de suportar e são soldados em conjunto. Figura 7 Estrutura de chassis tubular Os tubos utilizados para esses chassis podem ser de dois tipos: ou de secção quadrada ou de secção circular. A vantagem do tubo a secção quadrada é que torna a soldadura mais simples, enquanto o tubo a secção circular tem a vantagem de fornecer uma rigidez máxima ao chassis. Figura 8 Tubo a secção circular Figura 9 Tubo a secção quadrada Normalmente, esses chassis são projectados para uma aplicação precisa: por exemplo em aplicações desportivas. Vantagens: • Muito preciso! • Alta rigidez torsional! • Grande variedade de materiais utilizáveis Projeto de um monolugar: análise do chassis 9 Desvantagens: • Concepção custosa! • Realização exclusivamente manual! • Grande trabalho de preparação (cortar, serrar e soldar os tubos)! Quem usa: Carros de competição e carros de rua desportivos. A estrutura 3D casa-se facilmente com carroçarias em materiais compósitos. Os elementos da estrutura do chassis tubular devem imperativamente trabalhar só em tracção/compressão, caso contrário há o risco de a rigidez diminuir fortemente, porque vai ser então a rigidez das juntas (que é menor) que vai ser solicitada. É então obrigatório de triangular todas as superfícies para bloquear os degraus de liberdade adequados. Figura 10 Utilidade das barras para triangular as superfícies 2.1.4 Chassis monocoque O chassis monocoque é uma estrutura de peça única que define a forma final do carro: folhas de metal são prensadas com grandes máquinas de estamparia. Estas peças são soldadas (normalmente de soldadura por pontos) ou rebitadas em conjunto para se conformar ao chassis. O processo de soldagem é mais robotizado. Estes chassis são produzidos numa linha de produção de fluxo, de modo que eles são rápidos para fazer. As tolerâncias são mínimas. Hoje, 99% dos carros de produção utilizam este tipo de chassis. Esses chassis são pesados, porque eles usam muito metal. No entanto, eles têm uma resistência ao impacto muito boa. Projeto de um monolugar: análise do chassis 10 Normalmente é utilizado aço, que tem 3 vezes o módulo de alumínio mas apenas 2 vezes o peso, e é mais barato e mais fácil de soldar. Cada vez mais, o alumínio é utilizado em painéis de carroçaria deste tipo de chassis para reduzir o peso. Além disso, alguns chassis monobloco são totalmente feitos de alumínio. Figura 11 Estrutura chassis monocoque em carbono de um veículo de competição Vantagens: • Eficiência de espaço, porque o chassis é o envelope externo do carro! • Bom para produção em massa! • Barato para produzir se produção em massa • Maior resistência do conjunto do veículo! • Maior resistência em caso de choque ou de acidente! • Melhor agarro a estrada! Desvantagens: • Baixa rigidez porque o metal prensado não é tão rígido como os tubos tubulares! • Custos de concepção e fabricação mais elevados! Quem usa: Quase todos os carros de produção em massa. Os carros modernos são quase exclusivamente estruturas integrais feitas de chapa de aço estampadas e soldadas por pontos. Projeto de um monolugar: análise do chassis 11 Figura 12 Estrutura de um chassis automóvel de produção em massa 2.1.5 Chassis combinado Combinação de monocoque e tubular: a célula de segurança é feita através da construção de chassis monocoque enquanto o resto do chassis é fabricado de tubos (quadrados ou circulares). Este tipo de chassis tem as vantagens de cada um, mais a vantagem de que é mais simples e mais barato de produzir do que o chassis monocoque sozinho. 2.1.6 Conclusão Na tabela 1 foram expostos os vários tipos de chassis, com diferentes pontos de comparação, dependendo do resultado esperado: Tipo de chassis Geometria Produção Rigidez em flexão Rigidez em torção Em escadas 2D Pequena série - - Cruciforme 2D Pequena série + + Tubular 3D Pequena série + +++ Monocoque 3D Grande série + ++ Tabela 1 Tabela comparativa dos diferentes tipos de chassis Projeto de um monolugar: análise do chassis 12 2.2 Regulamento da FIA A FIA (Fédération Internationale de l’Automobile) publica cada ano um novo regulamento para cada categoria de carros de competição, regulamento que cada veículo concebido e produzido deve seguir. No caso do Formula Gloria B4, ele deve seguir e cumprir o regulamento técnico de fórmula livre (Free Formula Technical Regulation), o qual se divide em 2 categorias: • Categoria I: veículos que têm pelo menos 4 lugares (excepto os 2+2) • Categoria II: o Classe SH: veículos de tipo normal (tendo aspecto de carros de grande série com 4 lugares) o Classe SC: veículos de desporto automóvel (competição bi-lugares) o Classe SS: veículos de tipo monolugares de pista de Formula internacional ou Formula livre O Formula Gloria B4 corresponde a categoria II, classe SS. O regulamento fornece então uma série de informações que o veículo deve cumprir. 2.2.1 Dimensões e posicionamento das estruturas de segurança Todos os carros devem ter pelo menos duas estruturas de segurança. A estrutura principal deve estar posicionada atrás do piloto. A segunda estrutura deve estar posicionada em frente ao volante, a 250mm no máximo do topo do volante e a uma altura pelo menos igual a este. A estrutura principal deve estar situada pelo menos a 500mm atrás da segunda, e deve ser suficientemente alta para que uma recta, puxada do topo de essa estrutura ao topo da segunda, passe a 50mm por cima do capacete do piloto sentado no veículo. A altura mínima de essa estrutura principal deve ser pelo menos de 920mm medidos ao longo de uma recta seguinte a coluna vertebral do piloto, desde a coque em aço até ao topo do arco. Projeto de um monolugar: análise do chassis 13 Figura 13 Dimensões exigidas pelo regulamento A largura da estrutura principal deve ser pelo menos de 380mm medidos no interior do arco a uma altura de 600mm por cima da coque de aço. Figura 14 Dimensões a respeitar para a estrutura principal Projeto de um monolugar: análise do chassis 20 adequado para a nossa simulação, tendo em conta a precisão do resultado obtido e a rapidez de simulação do software para poder realizar vários ensaios num tempo mínimo. Para a simulação do chassis do fórmula Gloria B4 foi escolhido um número de elementos n=6. • Definição das propriedades: (figura 23) Depois disso, foi necessário aplicar a malha a estrutura, definindo o parâmetro de malha, mas também as características do material utilizado: módulo de Young, tensão limite elástica, coeficiente de Poisson, tensão de rotura máxima, alongamento mínimo e o comportamento plástico. • Nos coincidentes: O último paço no software FEMAP foi utilizar o comando Coincident nodes para criar a ligação entre os nos presentes na extremidade de cada barra e assegurar a ligação rígida entre eles. Figura 20 Estrutura tal como exportada do software SolidWorks Figura 21 Estrutura dividida por família de cores Projeto de um monolugar: análise do chassis 21 Figura 22 Discretização da estrutura Figura 23 Estrutura malhada Abaqus: O software Abaqus foi o software utilizado para a simulação da estrutura. Dividiu-se em 3 partes: a) Definir as condições fronteiras (Load) b) Lançar a simulação (Job) c) Visualizar os resultados (Visualization) Figura 24 Estrutura tal como exportada do software FEMAP Projeto de um monolugar: análise do chassis 22 Figura 25 Condições fronteiras a nível dos pontos de apoio da suspensão Figura 26 Carga a nível do topo do arco de segurança principal Figura 27 Resultado obtido pelo software apôs simulação Projeto de um monolugar: análise do chassis 23 3.2 Estudo analítico em comparação com o software Nesta primeira parte foram estudados 3 casos diferentes de solicitações a nível de vigas para depois poder efectuar a comparação entre resultados teóricos e resultados obtidos pelo software Abaqus. Este pré-estudo teve como objectivo os seguintes: • Ver a influência do numero de elementos de discretização n nos resultados obtidos pelo software em comparação com a teoria (partes 3.2.1., 3.2.2. e 3.2.4.) • Ver de qual forma o software entendia a junção de vigas entre elas a nível da ligação (parte 3.2.3.) Consideremos o material mais comum utilizado na concepção de chassis tubulares de competição, que é o aço 25CrMo4, e um tubo a secção tubular. Material utilizado: No estudo analítico efectuado, foi considerado o aço com fraco tenor em carbono designado por 25CrMo4 que tem a seguinte composição química: Aço 25CrMo4 Designação EN10027 Composição Química % Carbono (C) 0,245 (0,22 – 0,29) % Manganês (Mn) 0,715 (0,60 – 0,90) % Silício (Si) 0,287 (0,15 – 0,35) % Enxofre (S) 0,006 (<0,035) % Fósforo (P) 0,017 (<0,035) % Crómio (Cr) 0,972 (0,90 – 1,20) % Molibdénio (Mo) 0,214 (0,15 – 0,30) Tabela 2 Tabela da composição química do material 25CrMo4 As características mecânicas desse material e que usemos para o nosso estudo são definidas na tabela 3: Aço 25CrMo4 Designação EN10027 Propriedades mecânicas Módulo de Young E (N/mm2) 210000 Coeficiente de Poisson ʋ 0,33 Tensão limite elástica Re (N/mm2) 600 Tensão de rotura Rm (N/mm2) 780 Alongamento mínimo A80% 14 Tabela 3 Tabela das propriedades mecânicas do material 25CrMo4 Projeto de um monolugar: análise do chassis 24 Tubo utilizado: O tubo utilizado foi um tubo a secção tubular de diâmetro interior Di = 2*Ri, de diâmetro exterior De = 2*Re e de cumprimento L como na figura 28: Figura 28 Geometria e dimensões do tudo utilizado 3.2.1 Estudo a tracção/compressão – análise do impacto do numero de elementos O primeiro caso estudado foi o caso de solicitação em tracção/compressão de uma viga simples de cumprimento L seguinte X encastrada numa das extremidades com a aplicação de uma força F seguinte X na outra extremidade: Figura 29 Esquema da viga solicitada em compressão Teoria: Apôs um estudo teórico de este caso, encontremos os seguintes resultados: Tensões máximas: ! Deslocamento máximo : ! Projeto de um monolugar: análise do chassis 25 Considerando uma força F=10kN e um cumprimento de viga L=500mm, os resultados teóricos são os seguintes: Software: O teste foi realizado três vezes, com três números de elementos n diferentes: 1, 10 e 60. Os resultados obtidos estão resumidos na tabela 4: Número de elementos n von Mises (MPa) Deslocamento (mm) 1 80,08 0,19 10 80,08 0,19 60 80,08 0,19 Tabela 4 Tabela dos resultados obtidos pelo software para a viga em compressão Viga inicial: Figura 30 Viga antes da simulação Projeto de um monolugar: análise do chassis 26 Tensões de von Mises: Figura 31 Viga apôs simulação para um numero de elementos n=60 - Tensões de von Mises (MPa) Deslocamentos: Figura 32 Viga apôs simulação para um numero de elementos n=60 – deslocamentos (mm) Projeto de um monolugar: análise do chassis 27 Conclusão: Podemos concluir deste primeiro teste que quando a viga esta submetida só a tracção/compressão, o número de elementos não tem nenhuma influencia sobre os resultados obtidos pelo software, o que é lógico porque a carga esta no mesmo alinhamento do que a discretização. 3.2.2 Estudo a flexão – análise do impacto do número de elementos O segundo caso estudado foi o caso de solicitação em flexão pura de uma viga simples de cumprimento L seguinte X encastrada numa das extremidades com a aplicação de uma força F seguinte Y na outra extremidade: Figura 33 Esquema da viga solicitada em flexão Teoria: Apôs um estudo teórico de este caso, encontremos os seguintes resultados: Tensões máximas: ! Deslocamento máximo : ! Considerando uma força F=800N e um cumprimento de viga L=500mm, os resultados teóricos são os seguintes: Projeto de um monolugar: análise do chassis 28 Software: O teste foi realizado seis vezes, com seis números de elementos n diferentes: 1, 2,10, 60, 200 e 1000. Os resultados obtidos estão resumidos na tabela 5: Viga única Número de elementos n von Mises (MPa) Deslocamento (mm) 1 241,7 15,48 2 362,6 14,79 10 459,3 14,57 60 479,5 14,56 200 482,3 14,56 1000 483,2 14,56 Tabela 5 Tabela dos resultados obtidos pelo software para a viga em flexão Tensões de von Mises: Figura 34 Viga apôs simulação para um numero de elementos n=60 – tensões de von Mises (MPa) Projeto de um monolugar: análise do chassis 29 Deslocamentos: Figura 35 Viga apôs simulação para um numero de elementos n=60 - deslocamentos (mm) Conclusão: Podemos concluir que no caso de flexão pura, o número de elementos tem uma importância significativa tendo em conta as tensões: de facto o resultado só com um elemento esta bem longe do resultado teórico esperando (valor metade), e mais o numero de elementos aumenta mais o resultado se aproxima do resultado teórico. Podemos ver que para um número de elementos de n=10, o erro obtido no resultado do software é de 5%, o que se pode considerar com um resultado aceitável. Tendo em conta os valores de deslocamento, podemos ver que se consideramos a discretização só com um elemento n=1, o valor obtido pelo software apresenta um erro de 7%, o que é aceitável no nosso estudo. Também temos que ter em conta o tempo de resolução que tem o CPU para obter os resultados: de facto, é esperado um resultado aceitável num tempo menor possível. Por isso, no caso da flexão pura, um número de elementos n=10 é um compromisso aceitável. Projeto de um monolugar: análise do chassis 36 • Sistema de 5 vigas (figura 44) Com n=1, o erro do resultado obtido pelo software é de 2%, o que é aceitável. • Conclusão Podemos então concluir que, com n=10, os resultados obtidos pela simulação são aceitáveis. No nosso estudo vamos utilizar esse valor de número de elementos de discretização. Figura 44 Resumo dos resultados do ensaio sobre o sistema de 5 vigas Projeto de um monolugar: análise do chassis 37 4 Homologação do chassis 4.1 Interpretação do regulamento O regulamento da FIA resumido na parte 2.2. impõe vários ensaios a realizar sobre a estrutura do chassis, mais precisamente sobre o arco de segurança principal e secundário. Esse regulamento indica quais são as cargas a aplicar sobre as estruturas e quais devem ser os resultados obtidos pela simulação, mas não indica claramente quais são as condições fronteiras dos ensaios. Para a nossa simulação, três casos de condições fronteiras foram estudados: • Fixação ao nível dos apoios da suspensão (figura 45) Neste caso consideramos que o chassis estava fixo ao nível dos pontos da suspensão, o que se aproxime o mais perto da condições reais. Tendo esse tipo de condição fronteira, o sistema de suspensão (amortecedor, mola ...) e a roda não entra em conta quanto aos resultados obtidos na simulação. Figura 45 Fixação do chassis a nível da suspensão Projeto de um monolugar: análise do chassis 38 • Fixação ao nível da parte baixa do chassis (figura 46) Neste caso consideramos que o chassis estava fixo ao nível da parte baixa do chassis, como se fosse fixada a uma placa plana na qual o chassis estaria pousado. Figura 46 Fixação do chassis a nível da parte baixa • Fixação ao nível do arco de segurança (figura 47) Neste caso, a estrutura do chassis não entra em conta: a simulação esta exclusivamente centrada no arco de segurança só. Figura 47 Fixação ao nível do arco de segurança Projeto de um monolugar: análise do chassis 39 Depois de ter realizado as diferentes simulações, resultou que no caso da fixação ao nível da suspensão e na fixação da parte baixa do chassis, os resultados obtidos eram sensivelmente idênticos e por isso na parte da realização das simulações e na parte da analise dos resultados, só o caso de fixação a nível da parte baixa do chassis foi exposta. Projeto de um monolugar: análise do chassis 40 4.2 Casos estudados Como estipulado no regulamento, dois ensaios devem ser realizados: um no arco de segurança principal e outro no arco de segurança secundário. Para poder analisar e compreender melhor os resultados obtidos pelo software, os ensaios foram realizados em 4 paços: • Aplicação da força vertical Fv = 66kN • Aplicação da força longitudinal FL = 49,5kN • Aplicação da força lateral Fl = 13,2kN • Aplicação de Fv, FL e Fl simultaneamente Numa primeira parte, e por uma razão de facilidade, as diferentes forças foram aplicadas no nó situado no topo do arco (figura 48). Apôs simulação, os valores de tensões de von Mises e deslocamentos foram retirados. Figura 48 Aplicação das forças do nó do topo do arco Numa segunda parte, foi aplicado um deslocamento sobre um disco rígido (figura 49) de diâmetro D = 100mm e foram retirados os mesmos valores do que no ensaio precedente. O deslocamento foi aplicado num primeiro ensaio verticalmente e num segundo ensaio segundo a força resultante entre a força vertical e a força longitudinal (ver figuras 73 e 74). Projeto de um monolugar: análise do chassis 41 Figura 49 Aplicação de um deslocamento no disco Esses dois ensaios foram realizados para os dois casos de condições fronteiras: arco de segurança fixo e parte baixa do chassis fixa (respectivamente figuras 47 e 46). Projeto de um monolugar: análise do chassis 42 5 Arco de segurança principal Depois da análise dos resultados obtidos pelo software com uns casos simples, o próximo trabalho foi simular o chassis do Gloria B4 existente. Os testes efectuados estão divididos em duas partes: • Aplicação de forças: foram aplicadas as diferentes forças (vertical, longitudinal, lateral) as duas condições fronteiras enumeradas no 4.2, a saber fixar o arco de segurança ou fixar na parte baixa do chassis • Aplicação de deslocamento: foi aplicado um deslocamento nas duas condições fronteiras, seguinte dois ângulos de ataque (vertical e combinado vertical/longitudinal) 5.1 Aplicação de forças Numa primeira parte foram então aplicadas umas forças a estrutura do arco de segurança principal. 5.1.1 Condição fronteira ao nível do arco de segurança • Força vertical: Para esse ensaio as condições fronteiras foram fixar ao nível do arco de segurança e aplicar uma força vertical Fv de 66kN como mostrado na figura 50: Projeto de um monolugar: análise do chassis 43 ! Figura 50 Condições fronteiras no caso da força vertical Os resultados obtidos pelo software apôs simulação foram os seguintes: Tensão de von Mises máxima: 605Mpa Deslocamento máximo: 1,1mm ! Figura 51 Resultados obtidos pelo software - força vertical / arco fixo Projeto de um monolugar: análise do chassis 44 • Força longitudinal: Para esse ensaio as condições fronteiras foram fixar ao nível do arco de segurança e aplicar uma força longitudinal FL de 49,5kN como mostrado na figura 52: ! Figura 52 Condições fronteiras no caso da força longitudinal Os resultados obtidos pelo software apôs simulação foram os seguintes: Tensão de von Mises máxima: 706Mpa Deslocamento máximo: 6,9mm ! Figura 53 Resultados obtidos pelo software - força longitudinal / arco fixo Projeto de um monolugar: análise do chassis 45 • Força lateral: Para esse ensaio as condições fronteiras foram fixar ao nível do arco de segurança e aplicar uma força lateral Fl de 13,2kN como mostrado na figura 54: ! Figura 54 Condições fronteiras no caso da força lateral Os resultados obtidos pelo software apôs simulação foram os seguintes: Tensão de von Mises máxima: 351Mpa Deslocamento máximo: 2,3mm ! Figura 55 Resultados obtidos pelo software - força lateral / arco fixo Projeto de um monolugar: análise do chassis 52 • Aplicação de Fv, FL e Fl: ! Figura 67 Condições fronteiras no caso de FL, Fv e Fl Quando foi tentado fazer a simulação pondo as três forças como no regulamento, a simulação não conclui: podemos então dizer que a estrutura não aguenta essa carga. O chassis foi concebido no ano 2005, e a este momento o regulamento era diferente: de facto, no regulamento de 2012, as forças a aplicar sobre a estrutura eram menores – 12kN lateralmente, 60kN verticalmente e 45kN longitudinalmente. Foram então aplicadas essas forças sobre o chassis, para ver se ele iria a aguentar. A simulação foi conclusiva e os resultados obtidos pelo software foram os seguintes: Tensão de von Mises máxima: 740MPa Deslocamento máximo: 30,5mm ! Figura 68 Resultados obtidos pelo software - forças Fv, FL e Fl / chassis fixo Projeto de um monolugar: análise do chassis 53 • Conclusão: Força von Mises (MPa) Deslocamento max. (mm) Vertical 606 4,3 Longitudinal 787 73,0 Lateral 374 5,8 Todas as forças - - Tabela 9 Resumo dos valores obtidos pelo software – condição fronteira: fixação ao nível da parte baixa do chassis No caso da simulação do arco de segurança principal fixada na estrutura do chassis, podemos concluir que nas condições impostas pelo regulamento da FIA, a estrutura não responde aos resultados esperados: de facto, no caso da aplicação da força longitudinal só, o deslocamento máximo obtido é superior ao valor admissível (respectivamente 73mm e 50mm), e para a simulação com as três componentes, o software não sai resultados. Porem, com os valores de forças do regulamento da FIA de 2012, que são: Fv = 65kN FL = 45kN Fl = 12kN a analise é conclusiva: o deslocamento máximo atingido foi de 30,5mm, o que é abaixo do valor máximo admissível (50mm). Podemos concluir que no caso da condição fronteira de fixar o chassis a nível da parte baixa, a estrutura não respeita o regulamento 2013 mas sim o regulamento 2012. Regulamento (teste para as três forças) von Mises (MPa) Deslocamento max. (mm) 2012 740 30,5 2013 - - Tabela 10 Tabela comparativa 2012 / 2013 Projeto de um monolugar: análise do chassis 54 5.2 Aplicação do deslocamento Numa segunda parte foi então aplicado um deslocamento a estrutura. 5.2.1 Condição fronteira ao nível do arco de segurança • Deslocamento vertical Para esse ensaio as condições fronteiras foram fixar ao nível do arco de segurança e aplicar um deslocamento seguinte o eixo Y como mostrado na figura 69: ! Figura 69 Condições fronteiras no caso do deslocamento vertical Apôs simulação feita, foram retirados os valores de deslocamento e de força do ponto situado no topo do arco de segurança, e foi desenhada a curva Força = f(deslocamento) na figura 70: Projeto de um monolugar: análise do chassis 55 ! Figura 70 Curva força = f(deslocamento) para um deslocamento vertical Podemos tirar desse ensaio que o valor de força máximo admissível é de 138kN para um deslocamento de 9,8mm. O regulamento da FIA impõe que para uma força de 66kN, o deslocamento máximo admissível seja de 50mm. Podemos então concluir que a nível da componente vertical, o arco de segurança aguenta mas do que necessário. ! Figura 71 Tensões von Mises - deslocamento vertical imposto / arco fixo Projeto de um monolugar: análise do chassis 56 • Deslocamento combinado: Para esse ensaio as condições fronteiras foram fixar ao nível do arco de segurança e aplicar um deslocamento seguinte o eixo Y’ como mostrado na figura 72. Este ensaio, por uma questão de facilidade, vai apenas modelizar a força vertical e a força longitudinal (esquecendo a força lateral). ! Figura 72 Condições fronteiras no caso do deslocamento seguinte Y' O eixo Y’ seguinte o qual o deslocamento foi imposto corresponde ao eixo da força F que corresponde a soma da força vertical Fv e da força longitudinal FL (figura 73). No software foi criado um novo sistema de eixo XY’Z’ com uma inclinação de θ = 36,9°. Figura 73 Novo sistema de eixo XY'Z' para a combinação das forças Projeto de um monolugar: análise do chassis 57 Figura 74 Força combinada da componente vertical Fv e longitudinal FL Apôs simulação feita, foram retirados os valores de deslocamento e de força do ponto situado no topo do arco de segurança, e foi desenhada a curva Força = f(deslocamento) na figura 75: Figura 75 Curva força = f(deslocamento) para um deslocamento seguinte Y' Projeto de um monolugar: análise do chassis 58 Podemos tirar desse ensaio que o valor de força máximo admissível seguinte o eixo Y’ é de 83kN para um deslocamento de 13,2mm. O regulamento impõe que a estrutura resiste a uma força de 66kN vertical e 49,5kN longitudinal, o que corresponde a uma força de 82,5kN na direcção Y’, com um deslocamento inferior a 50mm: podemos então concluir que o arco de segurança aguenta 5.2.2 Condição fronteira ao nível da parte baixa do chassis • Deslocamento vertical: Desta vez um deslocamento que aplicado no topo do arco e não uma força, num disco rígido de diâmetro D = 100mm. Figura 76 Aplicação do deslocamento vertical no disco rígido Como se pode ver na figura 76, o valor máximo de força atingido é de 138kN para um deslocamento de 10mm. Obtemos o mesmo resultado do que no caso anterior, quando a condição fronteira era fixar ao nível do arco de segurança. É normal, porque como se vê na figura 77, os deslocamentos estão situados no arco de segurança, e não ocorrem abaixo dele nem no resto da estrutura. Projeto de um monolugar: análise do chassis 59 ! ! Figura 77 Resultado obtido pelo software para um deslocamento de 24,3mm Projeto de um monolugar: análise do chassis 60 • Combinação das forças: Nesse ensaio foi aplicado um deslocamento seguinte o eixo Y’ (figuras 73 e 74). ! Figura 78 Aplicação do deslocamento combinado no disco rígido Como se pode ver na figura 78, o valor máximo de força atingido é de 79kN para um deslocamento de 39,8mm. Segundo o regulamento, a estrutura deveria aguentar 66kN verticalmente e 49,5kN longitudinalmente, o que da 82,5kN na direcção resultante. Podemos então concluir que a estrutura não iria resistir ao ensaio do regulamento. • Conclusão Podemos então concluir que no caso da aplicação de um deslocamento vertical só, a estrutura aguentara os 66kN do regulamento e que no caso da aplicação de um deslocamento seguinte o eixo Y’ (resultante da força vertical e da força longitudinal), a estrutura aguentara as forças impostas pelo regulamento (66kN verticalmente e 49,5kN longitudinalmente). A nível dos deslocamentos, nos dois casos, os valores estão abaixo do valor máximo de 50mm. Direcção do deslocamento Força admissível (kN) Deslocamento max. (mm) Vertical 138 > 66 9,8 < 50 Vertical + longitudinal 83 > 82,5 13,2 < 50 Tabela 11 Resumo dos resultados para um deslocamento imposto Projeto de um monolugar: análise do chassis 61 6 Arco de segurança secundário Nesta parte se realizou a análise do arco de segurança secundário da estrutura. Segundo o regulamento, o arco de segurança secundário, situado atrás do volante, deve resistir a uma carga vertical de 75kN. Para realizar esse teste, as condições fronteiras foram como mostrado na figura 79: fixação ao nível da parte baixa do chassis e aplicação do deslocamento num disco rígido. Foi imposto um deslocamento sobre um disco rígido de diâmetro D = 250mm. O regulamento informa que o disco rígido no qual a força vertical de 75kN é aplicada tem um diâmetro de 100m, mas com esse diâmetro havia um problema de contacto entre o disco e o chassis quando o disco chegava a um certo valor de deslocamento e a simulação parava. Figura 79 Condições fronteiras para o teste do arco de segurança secundário Projeto de um monolugar: análise do chassis 68 2. Tensão máxima Como seguinte a hipótese, as vigas só trabalham em tracção/ compressão, podemos então escrever: Podemos observar na tabela X dos resultados que é a viga 5 que tem mais carga, o que significa que: 3. Alongamentos Podemos escrever os alongamentos das vagas em função da tensão interna, do cumprimento, do modulo de Young e da superfície, o que da: Alongamento de cada viga: Projeto de um monolugar: análise do chassis 69 4. Deslocamentos As condições iniciais da estrutura fornecem os resultados seguintes: uA = 0 ; vA = 0 ; uD = 0 As relações alongamento-deslocamento são as seguintes: O que conduz ao resultado seguinte : 5. Aplicação numérica Para L = 500mm, F = 50kN, obtivemos os valores teóricos seguintes: Projeto de um monolugar: análise do chassis 70 ANEXO B: Plasticidade do material 25CrMo4 O material utilizado na concepção do chassis da fórmula Gloria B4 é o 25CrMo4, para o qual as propriedades mecânicas são: Aço 25CrMo4 Módulo de Young E (N/mm2) 210000 Coeficiente de Poisson ʋ 0,33 Tensão limite elástica Re (N/mm2) 600 Tensão de rotura Rm (N/mm2) 780 Alongamento mínimo A80% 14 Para que a simulação do chassis esteja o mais próxima da realidade, um comportamento plástico foi acrescentado ao material, utilizando a lei de Swift (ou de Krupkowski) seguinte: Ajudando-se de um programa Matlab, os valores dos parâmetros da lei de Swift encontrados foram os seguintes: Projeto de um monolugar: análise do chassis 71 Foi então desenhada a curva tensão – extensão real: Figura 82 Curva Tensão – extensão real do material