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1 Ensaio de Compressão do Anel: resultados experimentais e por método dos elementos finitos David E. K. Barrientos Amilton Sinatora Mario V. Leite Roberto.

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1 1 Ensaio de Compressão do Anel: resultados experimentais e por método dos elementos finitos David E. K. Barrientos Amilton Sinatora Mario V. Leite Roberto. M. Souza VIII Encontro de Iniciação Científica Escola Politécnica da Universidade de São Paulo 2007

2 2 Resumo da apresentação Introdução Materiais e métodos Experimental Simulação Resultados e Discussões Experimental Simulação Conclusões

3 3 Introdução Bowden e Tabor (1950) abordam no livro The Friction and Lubrication of Solids a dependência do atrito e desgaste com os seguintes parâmetros : materiais envolvidos, topografia dos corpos e condições de trabalho. O ensaio de compressão do anel foi utilizado para estudar a influência dos parâmetros da topografia dos corpos e condições de trabalho no atrito e desgaste.

4 4 Introdução Teste de compressão do anel: Consiste na compressão, em uma prensa, de um corpo de prova que possui a forma de um anel. Esta compressão causa redução da altura do anel e variações no diâmetro interno e externo do mesmo. A mudança nas dimensões do anel é dependente do atrito na interface ferramenta/corpo de prova.

5 5 Introdução Teste do anel: Atrito igual a zero (figura b): Diâmetro externo aumenta Diâmetro interno aumenta Atrito diferente de zero (figura c): Diâmetro externo aumenta Diâmetro interno diminui (ASM HANDBOOK, 1992)

6 6 Introdução – Objetivos Relatar as evidências obtidas experimentalmente com o ensaio de compressão do anel Com base nos resultados do ensaio experimental, desenvolver uma rotina para simulação computacional, pelo método dos elementos finitos, do ensaio de compressão do anel.

7 7 Materiais e métodos – Experimental Corpo de prova: Topografia aperiódica, Rq de 0,21 μm, limpeza com álcool em ultrassom seguida de secagem em ar seco. Dureza: 275 ± 1 HV 10. Microestrutura: ferritico perlítica. Ferramenta: Topografia periódica, Rq de 2,47 μm, e espaçamento médio entre picos (RSm) de 489 μm. Dureza: 484 HV 10 Microestrutura martensítica

8 8 Materiais e métodos – Experimental Representação esquemática do tribossistema do ensaio Ferramentas: Microestrutura martensítica Dureza:484HV 10 Anel: Microestrutura ferritico-perlítica Dureza: 275 HV 10 Saída do forno: 1200°C Descida da ferramenta: 14s Início do forjamento: 20s N° de ensaios: 4 Prensa: 60 t

9 9 Materiais e métodos – Simulação Software: comercial MSC Superform Elementos finitos: Discretização da entidade em interesse para calcular, durante um processo, os parâmetros desejados. Malha: elementos, hexaedro irregular análises com menos elementos mostraram resultados pouco confiáveis devido a distorções da malha análises com mais elementos resultaram em custo elevado de computação

10 10 Materiais e métodos – Simulação Malha de elementos finitos utilizada:

11 11 Materiais e métodos – Simulação Materiais Anel: ABNT 1045 Ferramentas: corpos rígidos Dimensões, parâmetros de tempo e velocidade: mesmos do ensaio Coeficientes de transferência de calor: Modificados e determinados de acordo com o teste experimental (redução de 1200 para 900 °C).

12 12 Materiais e métodos – Simulação Deformação: até a altura do anel atingir 7,5 mm (conforme dados experimentais) Condições topográficas: Anel e ferramentas iguais e idealmente lisas. Realizadas simulações com diferentes coeficientes de atrito (0,2, 0,4 e 0,6).

13 13 Resultados e Discussões Experimental Dimensões médias dos anéis: Diâmetro externo: 33,3 mm (variação máxima: 0,7 %) Diâmetro interno: 12,5 mm (variação máxima: 0,7 %) Altura: 7,6 mm (variação máxima: 1 %)

14 14 Resultados e Discussões Experimental Male e DePierre: realizaram o ensaio e geraram curvas de calibração para determinar o atrito na interface ferramenta-anel. Segundo este método, para o ensaio, o atrito na interface ferramenta-anel é maior que 1. Curvas de calibração teórica, (Male, 1970)

15 15 Resultados e Discussões Experimental Portanto: o procedimento de Male e DePierre não é adequado às condições do ensaio realizado. Outras justificativas para esta evidência: Presença de uma camada de óxidos na interface ferramenta-anel Presença de uma camada de óxidos na interface ferramenta-anel Transformação martensítica durante a conformação a quente Transformação martensítica durante a conformação a quente

16 16 Resultados e Discussões Simulações As dimensões do diâmetro externo e interno da simulação se aproximam do experimental conforme o coeficiente de atrito aumenta

17 17 Resultados e Discussões Simulações Diferença entre áreas aparentes de contato: a maior área foi a do topo do anel (resultado oposto ao experimento) Surpreendente: mesmo coeficiente de atrito para ambas as superfícies. Esta análise não foi encontrada na literatura. Simulação: Experimento:

18 18 Resultados e Discussões Simulações A temperatura no topo do anel (820 ºC) é próxima à temperatura na base (819 ºC). a) b) Mapa de temperatura (ºC) na superfície do topo (a) e na superfície da base (b) do anel.

19 19 Resultados e Discussões Simulações Analisa-se apenas o efeito da temperatura. Pois não há possibilidade na simulação de formação de óxidos Não foi possível fazer uma relação das informações de temperatura com as deformações do anel Pois não se têm informações sobre propriedades do material em altas temperaturas.

20 20 Conclusões A literatura não especifica características a iniciais do anel ou da ferramenta nem estabelece procedimentos de condicionamento. tribossistema anel-ferramenta indeterminando sugestões sobre as melhores condições para se realizar o ensaio de anel Diferença das áreas aparentes de contato do anel com a ferramenta: área maior na base onde a espessura da camada de óxido é maior e mais compacta.

21 21 Conclusões Curvas de calibração de Male e DePierre (1970): não foi possível identificar o coeficiente de atrito na interface A transformação martensítica produz variações dimensionais que podem afetar os resultados de determinação do coeficiente de atrito.

22 22 Conclusões Simulação: valores de deformação do anel mais próximos do experimental para o maior coeficiente de atrito (0,6). Dimensões da superfície superior e inferior são diferentes no ensaio e na simulação O atrito na interface é o mesmo e não há diferença significativa entre as temperaturas da simulação nas superfícies de contato do anel

23 23 Conclusões Não pôde ser explicada a inversão em relação ao tamanho das áreas aparentes de contato do topo e base. É preciso um maior entendimento das respostas do aplicativo quanto às propriedades mecânicas em elevadas temperaturas.

24 24 Ensaio de Compressão do Anel: resultados experimentais e por método dos elementos finitos Obrigado Dúvidas? David E. K. Barrientos

25 25 Presença de uma camada de óxidos na interface ferramenta-anel Aspecto da superfície superior e inferior do anel após ensaios espessa camada de óxidos. Superfície superior (aumento de 1 vez) Superfície inferior (aumento de 1 vez) perde a camada durante o ensaio.

26 26 Presença de uma camada de óxidos na interface ferramenta-anel Os diâmetros internos e externos na base e no topo do anel são diferentes Na base, a área aparente de contato é maior do que no topo

27 27 Presença de uma camada de óxidos na interface ferramenta-anel Esta diferença pode ser causada por : presença de óxidos com diferentes espessuras diferentes temperaturas entre interface do anel com a ferramenta superior e a interface do anel com a ferramenta inferior

28 28 Transformação martensítica durante a conformação a quente Evidências: Elevação da dureza: 275 ± 1 HV10 antes do ensaio para 611 ± 5 HV10 depois do ensaio. Observação das micrografias do anel (sessão transversal) : Antes do ensaioApós o ensaio


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