Análise e controlo da rigidez de estruturas de prensas com tirantes pré-tensionados

Abstract

As prensas são máquinas de conformação de chapa metálica capazes de elevada produtividade e qualidade de itens fabricados. Dado a intensidade de força exigida à estrutura resistente, o seu projeto deve observar o melhor equilíbrio de rigidez e massa investida, dado que a diminuição desta última pode levar a menor robustez do corpo da prensa. Há exigentes especificações referentes ao nível de deslocamentos e rotações decorrentes do esforço em trabalho. O uso de módulos ligados por tirantes permite não só menos complexidade no projeto dos elementos estruturais integrando o corpo principal, como também menor custo de transporte e instalação. Variando o pré-esforço assim como a flexibilidade tanto dos tirantes como das estruturas a ligar, é possível melhorar as características de resistência estrutural da prensa. Neste trabalho os principais objetivos são simular diferentes componentes de uma prensa, de forma a se obter conclusões relacionadas com o desenvolvimento de algumas das componentes constituintes, a distribuição de tensões nessas componentes, os deslocamentos máximos, as zonas criticas de cada componente, a rigidez de cada componente, número de ciclos até ocorrer fadiga de cada componente, e a análise dinâmica para a estrutura superior da prensa. Para se efetuar o trabalho utilizou-se softwares de simulação numérica CATIA e Abaqus. Utilizou-se modelos 3D apróximados a componentes reais, e modelos de malha o tanto mais refinada quanto possivel pelas versões dos softwares disponiveis (de forma a se obter resultados mais precisos). Teve-se em conta um tempo máximo para cada tentativa de simulação de 40 minutos, pois algumas simulações, mesmo aproveitando as simetrias do problema, tornavam-se demasiado exigentes para o hardware disponivel. Posto isto, utilizou-se modelos de malha refinada em função dessa margem temporal especificada. Os resultados representados nas figuras ao longo desta dissertação são somente aqueles que apresentaram valores lógicos, isto é, todas as tentativas falhadas (com erros) de simulação que eventualmente levaram à simulação correta com os resultados corretos não foram representadas neste documento.

Presses are sheet metal forming machines capable of manufacturing high quality products in high volumes rates. Taking in to account the stress level the press structure is subjected, its design should combine the best stiffness/mass balance invested, because the mass decrease can lead to lower the strength of the press frame and reduce its capacity to absorb and dissipate vibrations from impact loads. There are restrictive requirements, caused by the forces originated while the press is operating, regarding the level of displacements and rotations. The use of modules joined by tie rods allows not only for less complexity in the design of the structural elements integrating the main body, but also the lower cost of transportation and installation. By varying the prestressing as well as the flexibility of the rods and the connecting structures, it is possible to improve the structural strength characteristics of the press. With this work, the main objectives are to simulate different components of a press in order to draw conclusions related to the development of some of the constituent components the distribution of stresses in these components, the maximum displacement, each component’s critical zones, stiffness, number of cycles necessary to occur fatigue and a dynamic analysis for the upper press frame. In the development of this work, numerical simulation software CATIA and Abaqus-Simulia® were used. For better accuracy and precision, 3D models where considered in the structure spatial simulation with the two available software versions. Some simulations, even taking advantage of the symmetry conditions inherent to the problem, they represented a hard computational task to the available hardware. It was taken into account a maximum 40 minute time interval for each trial simulation. Refined mesh models were used. The results shown in the figures throughout this dissertation are only those with physically acceptable values.