Cálculos Numéricos
O presente trabalho contempla a realização de cálculos numéricos utilizando o método de elementos finitos, por meio do software Ansys, visando avaliar o desempenho estrutural de três componentes da cadeira de rodas projetada. Este estudo é essencial para garantir a segurança, a eficiência e a durabilidade dos componentes submetidos a diferentes condições de uso.
A primeira estrutura analisada é a simulação da trava ajustável do apoio de pernas. A análise por elementos finitos será empregada para determinar a deformação do mecanismo sob carga, além de calcular o fator de segurança, assegurando que o dispositivo opere dentro dos limites estruturais aceitáveis.
Em seguida, será avaliada a bandeja de suporte de eletrônica, destinada a acomodar os componentes eletrônicos da cadeira de rodas. A simulação visa analisar o comportamento da bandeja em relação à flexão de placa fina, considerando o peso total dos dispositivos eletrônicos instalados. O objetivo é garantir que a bandeja mantenha sua integridade estrutural e funcionalidade, mesmo sob as condições de carga especificadas.
Trava do mecanismo móvel para apoio de pernas
Para a simulação da trava ajustável do apoio de pernas, foram considerados dois componentes principais: a própria trava e o pino que permite a rotação do apoio, sendo este o eixo principal que conecta o apoio de pernas à estrutura da cadeira de rodas. A geometria simulada pode ser observada na Imagem 1.
A região de contato entre o pino e a trava foi definida com uma condição de “bonded”, impedindo deslocamentos tanto nas direções normais quanto tangenciais. Essa abordagem assegura que não haja movimento relativo entre o pino e a trava durante a simulação. A malha utilizada na simulação apresenta uma qualidade média de 0,79, garantindo confiabilidade nos resultados obtidos. Para a geração da malha, foi utilizado o método “Patch Independent” na trava, devido à sua geometria mais complexa e à necessidade de maior controle sobre a qualidade dos elementos. No pino, foi utilizado o método “Sweep”, que é mais adequado para componentes cilíndricos, proporcionando elementos alinhados à direção do eixo e otimizando o processo de discretização.
Nas condições de contorno, o pino foi considerado fixo, uma vez que, após a trava ser posicionada e ajustada na posição desejada, não há deslocamentos adicionais do pino em nenhuma direção. Para simular as três posições possíveis de travamento, foi aplicada uma condição de apoio no dente correspondente à posição sendo analisada. Além disso, foi aplicado o momento gerado, que deve ser suportado pela estrutura. As Imagens 3, 4 e 5 ilustram as condições aplicadas em cada caso. Vale ressaltar que os momentos aplicados foram aqueles calculados na seção Dimensionamento Estrutural do apoio móvel de pernas.
As deformações encontradas no apoio de pernas foram da ordem de 2 mm, valor que não compromete o funcionamento da peça, garantindo sua integridade estrutural e operacional. O critério de Von Mises foi empregado na análise, pois é amplamente utilizado para materiais dúcteis, como o aço carbono, permitindo avaliar a resistência do material em relação à combinação de tensões atuantes. Os menores fatores de segurança foram identificados próximos aos dentes da trava, devido à concentração de tensões, mas o valor mínimo encontrado foi de 1,47, o que representa uma margem de segurança de 47%, considerada adequada para atender aos requisitos do projeto.
Bandeja de suporte para eletrônica
A análise estrutural da bandeja de acomodação eletrônica foi realizada utilizando o software ANSYS, com o objetivo de avaliar seu comportamento sob cargas aplicadas e determinar as deflexões resultantes. A bandeja foi projetada em material ACM (Alumínio Composto com Material), que consiste em duas camadas de alumínio com uma camada de borracha no meio, formando uma estrutura composta que visa combinar as propriedades mecânicas do alumínio com a flexibilidade e absorção de vibração proporcionada pela borracha.
A bandeja será fixada nas laterais da parte inferior da cadeira de rodas, o que significa que as extremidades da estrutura estarão presas enquanto o centro da bandeja estará sujeito a uma carga concentrada. A carga foi modelada como a soma dos pesos dos objetos eletrônicos que serão acomodados na bandeja. Este valor foi calculado como 7,670 vezes 9,8, totalizando uma carga de 75,166 N. A geometria simulada pode ser observada na Imagem a baixo:
A região de contato entre as camadas foi configurada com uma condição de “bonded”, o que impede os deslocamentos tanto nas direções normais quanto nas tangenciais. A malha gerada para a simulação apresenta uma qualidade média de 0,82, garantindo confiabilidade. Para a discretização do modelo, foi utilizado o método sizing, com um tamanho de elemento de 0,005 m. A malha pode ser observada na figura abaixo:
A condição de "Fixed Support" foi aplicada nas laterais da bandeja, simulando a fixação real da estrutura na cadeira. A carga aplicada, juntamente com o apoio fixado, estão ilustrados abaixo:
A maior deformação observada na simulação ocorreu no centro da bandeja, com um valor de 0,21 mm, o que está bem dentro dos limites de desempenho exigidos, sem comprometer a funcionalidade ou a integridade da peça. Durante a análise, foi utilizado o critério de Von Mises. A tensão máxima de Von Mises registrada foi de 16,148 MPa. Quanto ao fator de segurança, o valor mínimo encontrado foi de 3,0964.
Dessa forma a análise estrutural realizada na bandeja de acomodação eletrônica, demonstrou que a peça é capaz de suportar as condições de carga e os requisitos operacionais sem comprometer sua integridade.
Dispositivo Antitombo
Para garantir a segurança e a eficiência do dispositivo antitombo, foi realizada uma análise por elementos finitos no software ANSYS. O objetivo era verificar se os materiais disponíveis seriam adequados para suportar as cargas aplicadas durante seu acionamento, evitando falhas estruturais que pudessem comprometer seu funcionamento.
Na simulação, considerou-se uma condição de tombo na qual as rodinhas do dispositivo deveriam suportar uma carga aproximada de 160 N, resultante do peso do usuário e da configuração da cadeira. Essas rodinhas, feitas de plástico comercial, mostraram-se adequadas para essa exigência, já que possuem capacidade de carga significativamente superior. Por outro lado, as hastes, confeccionadas em tubo de alumínio com 16 mm de diâmetro externo e 2 mm de espessura, inicialmente levantaram preocupações quanto à sua rigidez estrutural.
Para garantir a representatividade da simulação, foi utilizada uma malha refinada, seguindo critérios de qualidade dos elementos. O modelo foi discretizado com elementos tetraédricos de formulação linear, totalizando 56.554 elementos e apresentando uma qualidade média de 0,81.
As condições de contorno definidas foram as seguintes: uma força aplicada no conjunto de rodinhas, que transmite a carga para o tubo de alumínio, e a fixação do tubo de alumínio à estrutura da cadeira de rodas, impedindo qualquer deslocamento ou rotação em qualquer eixo na posição do encaixe.
A simulação indicou uma deformação prevista de 14,85 mm (aproximadamente 1,5 cm), um valor considerado pouco expressivo para o funcionamento do dispositivo.
Analisando a relação entre a tensão de escoamento do material e a tensão que a peça deverá suportar, obteve-se um fator de segurança crítico de 1,14, relativamente baixo. No entanto, esse valor indica que, em condições normais de utilização, não ocorrerão deformações plásticas nem falhas catastróficas estruturais.
Dessa forma, o projeto se mostra viável, embora eventuais otimizações possam ser consideradas para aumentar a margem de segurança.
Tabela de versionamento
| Versão | Data | Descrição | Responsável |
|---|---|---|---|
| 1.0 | 15/01/2025 | Trava do mecanismo para apoio de pernas | Ana Carolina Carvalho |
| 2.0 | 20/01/2025 | Bandeja de suporte para eletrônica | Júlia Messias |
| 3.0 | 07/02/2035 | Revisão do aretefato | Ana Carolina Carvalho |
| 4.0 | 09/02/2035 | Dispositivo antitombo | Pedro Andrade |
| 5.0 | 10/02/2035 | Revisão do aretefato | Júlia Messias |