Validação estrutural de um atuador de freio pneumático usando método para cálculo de vida em fadiga de alto ciclo

Abstract

No campo da integridade estrutural, a precisão do julgamento de engenharia é limitada pela forma como as cargas são avaliadas, os modelos matemáticos são construídos e as respostas materiais são idealizadas. Em vibração aleatória, as cargas são melhor descritas em termos de PSDs (Power Spectrum Density) da variável que excita o sistema, enquanto que se as cargas são determinísticas, as abordagens baseadas no domínio do tempo são geralmente preferidas. Como o Método dos Elementos Finitos (MEF) já é consolidado como uma das ferramentas mais populares para a modelagem de materiais, na dinâmica estrutural as análises modal e harmônica são o ponto de partida para estudar as propriedades do sistema e derivar funções de transferência (FRF). As funções de transferência são fundamentais para avaliar os momentos espectrais de PSD de tensão ou deformação e construir funções de densidade de probabilidade (PDF) para avaliar danos. O método de Dirlik tem sido muito bem-sucedido na modelagem de processos de banda estreita e de banda larga. Pesquisas recentes têm se esforçado para resolver tensão residual no domínio da frequência e cobrir as lacunas na abordagem de Dirlik, como Tovo e Benasciutti, método usado nesta tese. Um estudo de caso é apresentado onde uma Câmara de Freio foi analisada, onde o objetivo é ter um método numérico de validação estrutural de durabilidade baseado em um procedimento experimental. A câmara de freio tem ambas as funções de um atuador pneumático de freio e freio de estacionamento, portanto, desempenhando um papel vital na segurança. Os resultados numéricos são comparados com testes de laboratório e de campo, onde teve-se um erro em vida de 43%, justificável pelas inúmeras complexidades do modelo numérico. Os erros numéricos experimentais da análise modal, ficaram com 0%, 4% e -8%, respectivamente, em relação ao teste experimental em shaker.

In the field of structural integrity the accuracy of engineering judgment is bounded by the way the loadings are evaluated, the mathematical models are built and the material responses are idealized. In random vibration the loads are best described in terms of the PSDs (Power Spectrum Density) of the variable exciting the system, whereas if the loads are deterministic the time domain based approaches are usually preferred. As the Finite Element Method (FEM) is already consolidated as one of the most popular tools for material modeling, in structural dynamics the modal and harmonic analyses are the starting point for studying system properties and deriving transfer functions (FRF). The transfer functions are key to evaluating the spectral moments of Stress or Strain PSDs and building probability density functions (PDF) to evaluate damage. Dirlik's Method has been very successful in modelling both narrow and broad band processes. Recent researches have endeavored to address residual stresses in the frequency domain and cover the gaps in Dirlik’s approach, like Tovo and Benasciutti, method used in this thesis. A case study is presented where a Brake Chamber has been analyzed, where the objective is to have a numerical method of structural validation of durability based on an experimental procedure. The brake chamber has both functions of a brake pneumatic actuator and parking brake, therefore playing a vital role in Safety. The numerical results are compared to laboratory and off-road field tests, where it had a life error of 43%, justified by the numerous complexities of the numerical model. The experimental numerical errors of the modal analysis, were 0%, 4% and -8%, respectively, in relation to the experimental test in shaker.