【Análise e Projeto ASME】Requisitos e etapas do análise e projeto ASME

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Este tópico foi editado pela última vez por B0SS em 11/04/2018, às 20:44. Os padrões de análise e projeto da ASME são baseados nos modos de falha de um componente. Para determinar a segurança de um componente, é necessário considerar os seguintes 4 modos de falha, sendo que todos eles devem ser evitados: 1) Prevenir colapso plástico; 2) Prevenir falhas locais; 3) Prevenir instabilidade; 4) Prevenir falhas devido a cargas cíclicas. 1. Como prevenir o colapso plástico? Existem três maneiras de evitar o colapso plástico da estrutura: 1) Análise de tensões elásticas ； 2) Análise de carga limite ； 3) Análise de tensões elasto-plásticas. 1) A análise de esforços elásticos, para evitar o colapso plástico das peças, requer a avaliação de três tipos de esforços: o esforço total na membrana (Pm), o esforço local na membrana (PL) e o esforço resultante da combinação entre o esforço na membrana e a flexão (PL+Pb). Para o Pm, geralmente se garante por meio de cálculos convencionais; portanto, é necessário avaliar apenas os dois tipos de tensão restantes. Já PL+Pb é difícil de distinguir em muitos casos, sendo facilmente classificado como tensão secundária (Q), o que pode levar a decisões imprudentes e afetar a segurança da estrutura. É importante notar que, para avaliar as tensões secundárias, é necessário utilizar as tensões determinadas pela análise das condições de operação ； A norma ASME utiliza a quarta teoria de resistência – a teoria da energia de alteração de forma –, enquanto a JB/T4732 adota a terceira teoria de resistência – a teoria do esforço de cisalhamento máximo. 2) Análise de carga limite: A norma ASME VIII-2 introduziu o método de projeto com base em fatores de carga e resistência (Load and Resistance Factor Design, LRFD), aplicando-o à análise de carga limite e à análise elástico-plástica. Não se utiliza mais a duplicação da inclinação elástica como critério de avaliação. De acordo com as combinações de cargas e os coeficientes de carga da análise de carga limite na Tabela 5.4, distinguem-se as seguintes combinações de condições de carga: Combinação de condições de carga 1: critério geral; Combinação de condições de carga 2: critério local; Combinação de condições de carga 3: condições de teste hidráulico. Na análise, é necessário considerar a combinação de cargas e os coeficientes para cada condição de operação. Somente quando a solução para cada condição for convergente é que se pode considerar que a análise da carga limite da estrutura está adequada. 3) Análise de tensões elasto-plásticas: A análise de tensões elasto-plásticas também leva em consideração os coeficientes de carga e resistência. De acordo com a tabela 5.5 da norma ASME VIII-2, as combinações de condições de carga e os coeficientes de carga utilizados na análise de tensões elasto-plásticas devem levar em conta critérios gerais, critérios locais e condições de teste hidráulico. Desde que a soma da deformação de conformação de todas as unidades e da deformação plástica equivalente total seja menor ou igual ao limite de deformação tridimensional, a estrutura está segura. A comparação entre a análise elástica e a análise elasto-plástica é a seguinte: (1) A análise de tensões elásticas é uma análise linear, na qual o material permanece sempre dentro da faixa de elasticidade linear. É utilizada a teoria das pequenas deformações; a matriz de rigidez não muda com as deformações da estrutura. O que se obtém são as tensões e deformações nominais ； A análise de esforços elasto-plásticos é uma análise de não linearidade geométrica e do material, que requer a entrada das curvas reais de esforço-deformação, levando em consideração o fortalecimento do material devido à deformação. Durante o processo de resolução iterativa, a matriz de rigidez da estrutura é atualizada continuamente à medida que a estrutura se deforma, o que permite a criação de novas equações de equilíbrio. Assim, os valores de tensão e deformação obtidos ficam mais próximos dos valores reais encontrados na prática engenharial. (2) No processo de resolução, a análise das tensões elásticas é relativamente simples; basta aplicar as cargas correspondentes ； Já a configuração da análise de esforços elasto-plásticos é um pouco mais complexa, pois é necessário definir alguns parâmetros de resolução não lineares para garantir a convergência da estrutura. Exemplos desses parâmetros incluem: passo de tempo, opção para deformações grandes, busca linear, opções de Newton-Raphson, tamanho automático do passo de tempo, previsão do passo de tempo e método de aplicação da carga. (3) No processo de pós-tratamento, a análise das tensões elásticas exige que se defina um caminho personalizado; em seguida, realiza-se a linearização das tensões ao longo desse caminho, a fim de avaliar a intensidade da tensão. Já a linearização da tensão está fortemente relacionada à divisão da malha e aos operadores, apresentando grande variabilidade aleatória. Em situações em que a tensão é bastante complexa, pode haver dificuldades em classificar corretamente as diferentes categorias de tensão, o que pode levar a decisões precipitadas ； A análise de tensões elasto-plásticas elimina a necessidade de linearização das tensões e sua classificação. É necessário realizar cálculos e comparações, de acordo com as normas ASME, relacionados ao limite de deformação multiaxial, à deformação plástica equivalente total e à deformação de formação da estrutura. O processo de análise é um pouco mais complexo em comparação com a análise de tensões elásticas. (4) Ponto de atenção: A análise de esforços elásticos foca na intensidade dos esforços na estrutura, bem como em cada componente de esforço após a linearização ； Já a análise de esforços elasto-plásticos foca na verificação da convergência dos cálculos, se as curvas do tempo de aplicação dos esforços, deformações e deformações plásticas são suaves, além dos limites de deformação multiaxial, da deformação plástica equivalente total e das deformações causadas pela formação da estrutura. Isso se deve principalmente ao fato de que os dois métodos utilizam critérios diferentes para avaliar os resultados dos cálculos: o primeiro utiliza critérios de classificação da tensão, enquanto o segundo utiliza critérios relacionados ao limite de deformação local. (5) Na maioria dos casos, no análise de esforços elásticos, o tratamento linear das seções críticas é forçado a se transformar em uma avaliação de se determinadas áreas locais apresentam dobradiças plásticas (a menos que se trate de um modelo axial simétrico ou situações semelhantes). Não é possível determinar se toda a seção entra em estado plástico; no entanto, a presença de um número limitado de dobradiças plásticas não conectadas entre si não impede que a estrutura continue a suportar cargas. A análise de tensões elasto-plásticas leva em consideração a redistribuição das tensões causada pela deformação, permitindo simular de forma intuitiva o fenômeno de articulações plásticas que formam mecanismos geometricamente variáveis. Portanto, a análise de tensões elásticas é mais conservadora do que a análise de tensões elasto-plásticas, mas esta última leva mais tempo e exige um hardware de computador mais potente. 2. Prevenir falhas locais? Para evitar falhas locais na estrutura, podem ser utilizadas análises elásticas e analises elasto-plásticas. 1) Para a análise elástica, basta que a soma algébrica das três tensões seja menor que 4S. 2) A análise elasto-plástica exige que, para cada combinação de cargas, a soma das deformações plásticas de todas as células estruturais e da deformação plástica equivalente total seja menor ou igual ao limite de deformação tridimensional; assim, a estrutura permanece segura. 3. Prevenir a instabilidade? Realiza-se uma análise numérica da estrutura para determinar a carga de flambagem da mesma. Dividindo essa carga pelo valor correspondente de carga segura, obtém-se a pressão externa permitida para a estrutura. Os métodos utilizados incluem a análise de valores próprios e a análise não linear. A análise de valores próprios faz parte da análise de flexão linear e, na verdade, não é prática. Já a análise não linear inclui a não linearidade geométrica, a não linearidade dos materiais, as condições de contorno não lineares ou a análise de contato, sendo assim mais adequada à realidade engenharial. 4. Como evitar falhas de ciclo? 1) Na avaliação da engrenagem de dentes serrilhados, existem na verdade dois tipos de instabilidade: durante o carregamento repetido, ocorre uma deformação plástica alternada, de um lado para outro, na mesma área. Nesse caso, a falta de estabilidade leva à fadiga plástica, e a ruptura acontece em um curto período de tempo. Isso é chamado de ruptura por fadiga de baixa frequência. Há também um caso em que a deformação plástica não é alternada entre direções opostas, mas sim acumulativa, o que é chamado de efeito catraca. A destruição é chamada de destruição por deformação plástica acumulada. Quando existe apenas um conjunto de cargas que atuam repetidamente, o fenômeno de catraca não ocorre. Para um equipamento, a avaliação por engrenagem de catraca é necessária, independentemente de ser um equipamento sujeito a fadiga ou não, desde que haja operações de partida e parada. A avaliação por engrenagem dentada é realizada com base nas condições de operação, e o que é avaliado é uma quantidade de amplitude. É semelhante à avaliação de fadiga, e os resultados dessa avaliação são utilizados como coeficientes na avaliação de fadiga (coeficiente de dano por fadiga). Se for satisfeita a condição de ser menor que Sps, o coeficiente de perda por fadiga pode ser igual a 1 durante a análise de fadiga; caso contrário, é necessário modificar esse coeficiente. Na ausência de estresse térmico (ou quando não se considera que haja um estresse térmico significativo), a tensão aplicada às peças, tanto na primeira quanto na segunda aplicação, deve ser menor ou igual a Sps. Assim que for maior, considera-se que o catraca ocorrerá, ou seja, haverá instabilidade. Em condições de estresse térmico, existem duas situações: em uma delas, a tensão gerada por todas as cargas, incluindo a carga térmica, é menor que Sps; nesse caso, não há diferença em relação à primeira situação. Quando há carga térmica, e o valor for maior que Sps, é possível realizar uma avaliação separada: nas condições sem carga térmica, o valor deve ser menor que Sps, e as tensões térmicas causadas pela carga térmica devem ser avaliadas separadamente. Ao utilizar este método, é necessário limitar o número de vezes que o equipamento é usado, ou seja, o equipamento acaba se tornando um equipamento cansado para ser utilizado. O princípio em que se baseia a avaliação de estresse secundário é, geralmente, a avaliação por engrenagem. Eis os detalhes: na ausência de carga térmica, o uso da pressão e temperatura de projeto para avaliar as tensões secundárias é, em muitos casos, um método conservador, pois a temperatura e a pressão de projeto costumam ser mais rigorosas do que as condições de operação ； Quando há tensões devido à diferença de temperatura, geralmente se utiliza diretamente as condições operacionais para calcular as tensões causadas pela temperatura e por outras cargas mecânicas. Nesse caso, é necessário seguir rigorosamente o método de avaliação baseado em engrenagens dentadas. 2) Avaliação da fadiga: A análise da fadiga é dividida em análise elástica e análise elastoplástica. Geralmente, realiza-se uma análise de esforços nas condições de ciclo, a fim de determinar o valor do amplitude do esforço. Em seguida, são feitas as correções necessárias com base nesse valor, e consultam-se as curvas de fadiga correspondentes para obter a vida útil em condições de fadiga da estrutura. Quando existem dois ou mais ciclos de tensão significativos, deve-se calcular o efeito do dano acumulado por fadiga. Na nova versão da norma ASME 2017, foi introduzida a análise de equipamentos para altas temperaturas segundo a ASME NH. Foram apresentados métodos de análise e projeto relacionados à deformação por fluência e à fadiga por fluência, permitindo que a norma AMSE VIII-2 seja utilizada para realizar análises de fadiga por fluência. Assim, a tecnologia utilizada tornou-se mais avançada e sofisticada.