Uma metodologia para obtenção de parâmetros ótimos para simulação numérica de filetes de solda

Abstract

Um modelo de elementos finitos de casca capaz de representar estruturas soldadas, sem adicionar erros significativos em termos da rigidez estrutural, poderia ser amplamente empregado em problemas dinâmicos em que o método da tensão estrutural (hot spot) é aplicado para análises de vida em fadiga. O âmbito deste trabalho é formular uma técnica de modelagem capaz de fazê-lo. Para alcançar esse objetivo, uma otimização paramétrica para a representação de estruturas soldadas através de elementos de casca foi realizada. As variáveis de projeto propostas na formulação empregada foram definidas como o comprimento do tamanho de perna e a espessura do elemento de casca representando o filete de solda. O foco da otimização foi encontrar uma faixa de espessura/tamanho de perna que não modificasse significativamente as primeiras frequências naturais e conseguisse entregar resultados similares aos obtidos por um modelo sólido. Programação linear sequencial foi empregada na otimização. A estrutura analisada foi do tipo T, com seção constante e espessura e profundidade diversas, sob diferentes modos de carregamento. Uma vez que os parâmetros ótimos foram encontrados, duas diferentes metodologias de modelagem foram propostas e comparadas com outras três bem estabelecidas e apresentadas em normas e na literatura. Os resultados foram comparados quanto às primeiras frequências naturais, massa total, tensão estrutural e vida em fadiga.

A finite element shell model capable of representing a welded structure without any significantly error on its stiffness could be widely applied to dynamic problems in which the structural stress method (hot-spot approach) is employed for fatigue analysis. The scope of the present work is to formulate a modeling technique capable of doing so. In order to accomplish it, a parametric optimization for simulating welded structures using shell elements is made, the design variables in the proposed formulation are defined as the weld leg length and thickness of the shell element representing the weld fillet. The main goal of the optimization was to find a range of thickness/leg length which would not change significantly the first natural frequencies, and still deliver results similar to the ones obtained by a solid model. Sequential linear programming optimizations are performed in a T-shaped structure under different loading scenarios, with constant section and different plate thicknesses and depths. Once the optimal parameters are found, two different modeling techniques are presented and compared with three well established methodologies presented in standards and the literature. The differences in the results are compared for first natural frequencies, total mass, hot spot stress and fatigue life.