Análise de Durabilidade no H-Link do Carregador Frontal com True-Load

 

By David N. Slowinski of CNH Industrial

 

Análise de elementos finitos é uma ferramenta útil para a avaliação dos componentes estruturais dos equipamentos de construção. Uma abordagem comum é aplicar cargas estáticas aos modelos de elementos finitos para representar o carregamento em operações normais de campo. As cargas estáticas aplicadas muitas vezes representam forças do “pior caso” nessas operações. A estrutura sob investigação é então determinada como aceitável ou não com base no cumprimento de valores-alvo para tensão, deformação, deflexão e / ou outros critérios.

 

Uma preocupação com esta abordagem é que pode desconsiderar potenciais problemas de fadiga. O ciclo de vida estimada para uma determinada carga pode ser determinada usando cálculos de tensão por vida ou deformação por vida. No entanto, a natureza dinâmica do carregamento é difícil de reproduzir. Uma única operação de campo pode exigir numerosos casos de carga estática para simular a gama completa de forças aplicadas, e as contagens de ciclo são difíceis de estimar.

 

Outro problema com a representação do carregamento dinâmico com cargas estáticas do pior cenário é que ele negligencia a tensão relativamente baixa. Porém altas cargas de ciclo podem resultar em problemas de fadiga. Máquinas como Carregadores de Miniaplicação (SSLs) e Carregadores de Esteira Compactos (CTLs) realizam uma grande variedade de tarefas que geralmente envolvem carregamento altamente dinâmico. Reproduzir com precisão essas cargas dinâmicas nas simulações de elementos finitos melhora consideravelmente a confiança nos resultados da avaliação e permite que o analista compare de forma eficaz as alternativas de projeto.

 

Os recursos de modelagem de elementos finitos disponíveis no Abaqus / CAE permitem ao analista criar modelos de simulação que fornecem uma resposta precisa às condições de contorno aplicadas e ao carregamento. A chave para usar esta tecnologia para a análise de fadiga dos equipamentos de construção está em aplicar o carregamento que reflete a dinâmica das operações de campo.

 

Modelo de carga unitária H-link com forças e momentos de pino. Wolf Star Technologies. Fig.1

 

O software True-Load duplica com precisão o time-history e possui uma interface de usuário diretamente integrada com o Abaqus / CAE. Um modelo de carga unitária, no qual qualquer caminho de carga possível na estrutura é representado é resolvido pela primeira vez no Abaqus para determinar a resposta da deformação. O True-Load / Pre-Test usa a resposta de deformação para determinar os locais ótimos para colocação de strain gauges, transformando a estrutura em seu próprio transmissor de carga. As deformações são então registradas nos strain gauges durante o teste de campo. Os dados da tensão de teste são então lidos no True-Load / Post-Test para determinar as funções de carga do histórico de tempo calculando as cargas da unidade escalonadas que recriam as deformações produzidas durante o teste.

 

Uma vez que o carregamento do time-history é determinado, a resposta de campo total da estrutura é determinada aplicando o carregamento escalado no True-QSE, que sobrepõe o time-history carregado no modelo de carga. As deformações, as tensões e as deflexões variáveis no tempo são determinadas em cada nó e elemento da estrutura. O True-Load / Post-Test também possui funcionalidades integradas para produzir automaticamente a série temporal carregando no formato fe-safe para que a análise de fadiga da estrutura possa ser completada.

Neste estudo de caso, as alternativas de projeto para um H-Link do carregador foram avaliadas pela abordagem de FEA estática linear como descrito acima e por uma abordagem que utiliza o software True-Load para recriar o carregamento de campo no modelo de Abaqus. Uma vez que os dados de campo precisos foram aplicados ao modelo, a análise de fadiga de solda da Verity foi utilizada para validar um projeto que atendesse o alvo de durabilidade da simulação.

 

PLANO DE FUNDO

Os carregadores deslizantes e carregadores compactos são usados nas indústrias de construção, paisagismo e agricultura e realizam uma variedade de tarefas. A linha de produtos atual da Case Construction e New Holland Construction incluem máquinas com montagens de elevação radial ou elevador vertical.

As máquinas de elevação radial empregam um braço de carregador que gira sobre um único eixo de rotação no chassi e levante os cilindros para elevar e baixar o braço ao longo de um caminho radial. O braço do carregador de elevação vertical inclui ligações que se encaixam em diferentes pontos no chassi e no braço do carregador de modo que o braço estenda e diminua ao longo de um percurso com maior alcance vertical, o que é mais vantajoso para certas operações.

Existe uma variedade de anexos de carregador frontal que permitem que um operador realize uma ampla gama de trabalhos. Essas várias operações de campo criam um desafio para o analista validar projetos através da simulação.

O objetivo deste projeto foi validar uma solução de projeto para resolver falhas de fadiga no H-Link no conjunto do braço do carregador vertical. O H-Link é um conjunto soldado que está conectado ao chassi por dois pinos e à braçadeira do braço do carregador também por dois pinos. A Figura 1 ilustra a geometria CAD para o braço do carregador de elevação vertical na posição de altura máxima e montada no chassi. O H-Link é mostrado na cor cinza escuro.

 

METODOLOGIA

Determinou-se que as falhas estavam ocorrendo em máquinas usadas principalmente para uma operação de campo particular, que envolveu o uso de um acessório especializado na frente do carregador. Uma vez que a operação primária que causou os problemas de fadiga e a localização da falha no H-Link foi identificada, as alternativas de design foram desenvolvidas através da simulação antes de um teste de campo final.

 

ABORDAGEM POR CARGA LINEAR ESTÁTICA

O primeiro passo na avaliação dos projetos alternativos foi atualizar os modelos de Elementos Finitos existentes e executar uma análise com carga linear estática calculada para ser o máximo esperado para a operação. Para aproximar a operação, os modelos foram executados com o braço do carregador em três orientações e vários cenários de carga foram aplicados nessas orientações.

 

Figura 2

 

Os valores de tensão foram comparados para o projeto atual e para os projetos alternativos de H-link. Os cálculos de tensão/vida foram utilizados para estimar a melhoria esperada da vida das alternativas de projeto. A melhoria da vida da peça alvo foi determinada comparando o número de horas com a falha em relação ao número desejado de horas para a operação. A Figura 2 ilustra os contornos de tensão do H-Link com o conjunto do carregador nas três orientações com um dos casos de carga estática aplicados. O projeto desenvolvido através dessa abordagem foi posteriormente avaliado com o carregamento de campo, mas não atingiu o objetivo do número de horas para a operação.

ABORDAGEM TRUE-LOAD

Para aumentar a confiança nos resultados da simulação, foi necessária uma melhor compreensão do carregamento para esta operação. Foi criado um modelo de elementos finitos do H-Link atual no Abaqus / CAE. A malha consistiu em elementos de casca, hexaedro e viga. Como os únicos caminhos de carga no H-Link são através dos locais dos quatro pinos, o modelo foi configurado com cargas unitárias em cada uma das juntas dos quatro pinos. Cada junta é livre para girar na direção do eixo do pino (na direção do modelo Z), liberando 1 grau de liberdade.

 

Figura 3

 

As cargas foram aplicadas para cada um dos 5 graus de liberdade restantes, três unidades de força nas direções X, Y e Z e as unidades de dois momentos são ortogonais ao eixo do pino nas direções X e Y. O alívio de inércia foi incluído para evitar o movimento rígido do corpo. Isso resultou em 20 casos de carga. A Figura 3 mostra o modelo de carga com as forças e os momentos aplicados em cada pino no Abaqus / CAE.

Uma análise de perturbação linear foi resolvida no Abaqus / Standard e o arquivo de resultado carregado no True-Load / Pre-Test determinou a colocação ideal dos 33 strain gauges que se mostraram necessários para reproduzir com precisão o carregamento. A Figura 4 mostra o modelo de carga no Abaqus / CAE com os locais dos strain gauges identificados pelo True-Load.

 

Figura 4

 

Através da interface do True-Load, o analista pode facilmente deslocar os gauges e colocar as dimensões dos gauges diretamente no modelo Abaqus / CAE. Isso garante que os gauges serão colocados na parte física nas posições corretas determinadas pelo True-Load e que os mesmos serão colocados em áreas acessíveis onde não serão danificados durante o teste. Um arquivo STEP da geometria do H-Link foi lido no Abaqus / CAE para que as dimensões pudessem ser colocadas em relação às superfícies das peças reais. A Figura 5 mostra um dos medidores de tensão True-Load dimensionados no modelo Abaqus / CAE e a localização marcada na peça de teste.

 

Indicador True-Load dimensionado no Abaqus / CAE e localização na peça de teste. Fig.5

 

Depois que os medidores True-Load foram colocados, um teste de campo duplicou a operação de referida. Concluído os resultados da tensão foram carregados no True-Load / Post-Test. As funções de carga foram então calculadas e exibidas em formato fe-safe para a posterior análise de fadiga. Os fatores de escala de carga foram então usados no True-QSE para usar a superposição das funções de carga no modelo de carga para simular o carregamento de campo em todo o modelo de H-Link.

 

Strain correlation plot between simulated strain and measured Fig. 6

 

Para confirmar que as deformações simuladas estão bem correlacionadas com as deformações medidas durante o teste, True-Load / Post-Test gera um resumo detalhado da análise que inclui os resultados de correlação do True-Load. Para o H-Link, o relatório indicou excelente correlação com o pior indicador de carga real produzindo 10,3% de erro Root-Mean-Square (RMS) e o melhor erro produzido de RMS de 0,14%.

Para ilustrar ainda mais os excelentes resultados de correlação, a Fig. 6 mostra a plotagem cruzada que compara a tensão simulada com a tensão medida para todos os 33 dos medidores H-Link True-Load.

Além dos medidores True-Load, medidores de tensão também foram colocados nos locais de baixa vida esperados. A capacidade de carregar todo o modelo com o carregamento da série temporal no True-QSE significa que as deformações, as tensões ou deflexões variáveis no tempo em qualquer ponto do modelo podem ser determinadas para a operação do campo. A Figura 7 mostra um segmento do traçado do tempo que compara a tensão simulada do modelo no Abaqus com o mesmo segmento de tempo em um dos medidores no local de baixa vida esperado. Os traços de tensão quase idênticos melhoraram bastante a confiança de que o modelo de simulação estava reproduzindo com precisão as tensões produzidas em todo o H-Link.

 

Traçado do tempo que compara a tensão simulada com a tensão medida na localização de baixa vida. Fig.7

 

O próximo passo na análise atual da H-Link de produção foi completar a análise de fadiga. O histórico de carregamento, conforme determinado por True-Load / Post-Test e o arquivo de resultados do Abaqus (.odb), foram carregados no fe-safe. Os resultados fe-safe foram criados em um novo arquivo .odb que poderia ser aberto e pós-processado no Abaqus / CAE. O modelo de fadiga inicial para o projeto de produção atual indicou que a vida mais baixa era esperada perto de uma solda que conecta o tubo cruzado ao braço lateral do H-Link. Isso corresponde ao local de falha nas máquinas de campo. O modelo Abaqus / CAE foi atualizado para incluir elementos de casca para representar a solda na interface entre o tubo transversal e o braço lateral. A verificação de fadiga de solda foi então executada na análise fe-safe e o número previsto de horas foi semelhante ao número de horas até a falha.

 

Depois de criar o modelo de produção atual que se correlacionou bem com o local de falha e o número de horas, o próximo passo foi analisar novos projetos para determinar a solução que atenderá ao objetivo de simulação. Um modelo de carga no Abaqus / CAE foi criado para o novo design com as mesmas cargas unitárias aplicadas no modelo H-Link de produção. Depois de resolver as cargas unitárias no Abaqus / Standard, o arquivo de resultados e o mesmo carregamento da série temporal produzido para o H-Link de produção atual foram carregados no fe-safe.

 

Imagem do projeto atual (esquerda) e do projeto final (à direita) da análise de solda da Verity em fe-safe. Fig. 8

 

Os resultados iniciais mostraram novamente a localização de vida mais baixa perto da solda que juntou o tubo transversal ao braço lateral do novo H-Link. A análise de fadiga de solda no Verity foi novamente usada para determinar a vida de fadiga prevista na solda para o novo projeto de H-Link. O resultado foi que o novo projeto atingiu o objetivo da simulação com uma melhoria estimada da vida de fadiga de 7.8 vezes em relação ao projeto de produção atual. A Figura 8 ilustra os resultados de fadiga, comparando o design de produção atual com o projeto final.

 

CONCLUSÃO

A integração de Abaqus / CAE, True-Load e fe-safe permitiu uma investigação eficiente e aprofundada sobre o design do H-Link. O Abaqus reproduziu com precisão o comportamento do H-Link sob as condições de carregamento do campo. O True-Load criou uma replicação muito precisa das cargas de campo que poderiam ser usadas para correlacionar o projeto atual com os resultados reais e validar projetos alternativos. A correlação entre a tensão simulada e medida aumentou significativamente a confiança nos resultados das simulações.

Finalmente, a capacidade de usar o time-history real de carregamento no fe-safe forneceu estimativas de vida de fadiga precisas de toda a montagem do H-Link. A correlação da análise da fadiga com a localização da falha e o número de horas proporcionou um nível adicional de confiança na análise da fadiga do novo projeto. Um teste de campo final validou os resultados das simulações e confirmou que o novo projeto atingiu o objetivo de durabilidade para a operação de campo.

A capacidade do Abaqus/CAE para produzir resposta de tensão precisa combinada com a capacidade de True-Load para reproduzir a natureza dinâmica do carregamento de campo é uma ferramenta muito valiosa no desenvolvimento de estruturas para equipamentos de construção. Juntamente com a análise de fadiga em fe-safe, essas ferramentas fornecem um método para os engenheiros virtualmente projetar estruturas e ter certeza de que eles irão encontrar critérios de durabilidade.

A capacidade de comunicação dessas ferramentas significa um processo eficiente que identificará potenciais problemas de fadiga antes de serem feitas peças. A necessidade de gastar tempo para ajustar cenários de carregamento estático para combinar os dados do teste é eliminada. Além disso, toda a estrutura é avaliada sob o carregamento de campo de séries temporais reais, ao contrário de isolar o foco da simulação em um único local. O processo reduz o número de iterações de design e teste. O impacto geral é uma redução do tempo e custo de desenvolvimento.