Motora Junior

Soluções em Engenharia Mecânica

História e Aplicação de Lubrificantes

Sendo de extrema importância desde a criação das primeiras máquinas que se tem conhecimento, o lubrificante é parte essencial para o bom funcionamento das mesmas. Inicialmente constituído de compostos animais e vegetais, o lubrificante foi sofrendo mudanças e avanços com o passar dos anos, de acordo com o avanço da ciência e de novas necessidades que começaram a aparecer. Em 1859 na Pensilvânia, em meio a exploração petrolífera, foi descoberto a possibilidade de produzir lubrificante a base de petróleo, que era de mais fácil acesso, mais barato e podia ser usado a temperaturas mais elevadas que os demais lubrificantes existentes na época.

 
Imagem retirada do documentário “História do Lubrificante” do canal Discovery History

Após a descoberta desta nova categoria de lubrificantes e sua grande popularidade, os fabricantes e usuários, encontraram um obstáculo quando o assunto se referia que diferentes temperaturas influenciavam na viscosidade do lubrificante. Quanto menor a viscosidade do lubrificante, menos ele protege as partes móveis. O calor afina o líquido e reduz a proteção contra o desgaste, mas o frio pode engrossá-lo tanto que as partes não se movem, e o conjunto não pode executar seu trabalho.

Com o passar do tempo, foi desenvolvido o óleo multiviscoso, que é o que encontramos no mercado hoje em dia, que consiste em um óleo fino a baixas temperaturas que facilita ligar motores, e se torna mais viscoso em altas temperaturas para lubrificar e proteger as partes móveis. Esse óleo multiviscoso, foi desenvolvido através da adição de um aditivo polímero, que quando está frio, os polímeros se “enrolam” uns aos outros, e quando quente, eles voltam ao normal e impedem que o óleo afine.

 

Imagem retirada do documentário “História do Lubrificante” do canal Discovery History

Aditivos misturados ao petróleo, ajudam a o mesmo a se transformar em uma vasta gama de lubrificantes para mais de 2.000 diferentes tipos de pontos de fricção em um carro. Em um veículo
encontramos diferentes tipos de lubrificantes para diferentes funções, como por exemplo o óleo que lubrifica o diferencial traseiro, que é composto por um aditivo que ajuda a suportar pressões  extremas, sendo esse de alta viscosidade. Por outro lado, as juntas esféricas de um automóvel exigem “graxa”, que se refere a um lubrificante semissólido. A “graxa” é composta por um lubrificante líquido com um emulsificante, que age como esponja. Essa esponja ajuda a segurar o lubrificante nos pontos nos quais um líquido comum escorreria ou seria eliminado.

Após um longo período de pesquisa, foi descoberto que lubrificantes sintéticos possuíam um menor inflamabilidade, o que o tornava mais seguro para uso, e principalmente que ele poderia ser fabricado em laboratório, o que significa que todos os componentes ruins do petróleo podem ser retirados, resultando assim, em um maior controle do comportamento e capacidade desse lubrificante.

Referências Bibliográficas

TUTELA Lubrificante SA. Lubrificantes & Lubrificação. Belo Horizonte: Policrom Pre-Press Graf.
e Ed., 1994. 123 p

LUBROTEC Química LTDA. Lubrificantes & Lubrificação. Retirado de:

NORTON, R. L. Projeto de Máquinas: Uma Abordagem Integrada. 2.ed. Porto Alegre: Bookmann, 2004. 931 p.

SHIGLEY, J. E.; MISCHKE, C. R.; BUDYNAS, R. G. Projeto de Engenharia Mecânica. 7.ed. Porto
Alegre: Bookman, 2005. 960 p.

Rafael Penna
Aluno de Engenharia Mecânica UFSM

Otimização Estrutural

A otimização estrutural é baseada em um processo matemático e que envolve leis de dimensionamento da mecânica estrutural e de seus elementos. Sendo este um processo de extrema importância para engenharia, o qual exerce uma grande influência nos custos, redução de peso e melhorias no projeto a ser aplicado. Otimização topológica e de formas são as mais comuns e podem ser vistas no decorrer deste trabalho.

1 Introdução
Com o avanço contínuo da tecnologia no âmbito da engenharia em geral, a busca por melhorias no processo e no produto começam a surgir e tornam-se necessárias para o crescimento das empresas e para consequentemente se ter lucros mais elevados. A otimização estrutural se encaixa neste processo de maneira que a busca por peças e produtos mais leves vem crescendo exponencialmente.

A necessidade de projetos de estruturas com coeficientes de segurança menores também é importante, sabendo que mesmo que reduza-se estes, eles atenderam os requisitos de seus projetos. De maneira mais introdutória, este processo é numérico/matemático que tem como objetivo configurar uma estrutura com performance ótima segundo um critério pré definido com uma limitação deste. Estes critérios se estendem desde uma massa mínima e rigidez máxima até para tensão de falha e frequência natural crítica.

2 Otimização Estrutural
Define-se estrutura como qualquer sistema que tem por objetivo transmitir de alguma forma um esforço mecânico, tanto estático quanto dinâmico. Como foi citado acima, o processo de otimização estrutural se da por método numérico e matemático, o qual se define uma função objetivo, que esta diretamente envolvida com o critério escolhido para a maximização ou minimização do problema.

Em problemas determinísticos de otimização estrutural, a função objetivo geralmente é o volume ou o peso da estrutura, isto é, dimensão da peça, e as restrições estão relacionadas aos requisitos normativos ou critérios específicos quanto a tensões e deslocamentos (VERENHASSI, 2008).

Pode-se definir os principais objetivos da otimização estrutural como:
– A busca pelo menor custo possível no projeto satisfazendo todos os requisitos e estados
limites.
– Diminuir ou eliminar a dependência da experiência do projetista, gerando um método sistemático de busca pelo projeto ótimo sem que a experiência do projetista afete o processo em geral.

É possível categorizar este processo em três tipos: otimização de forma, topológica e dimensional. As duas primeiras serão detalhadas por serem as mais utilizadas.

2.1 Otimização de forma
Segundo (PEDERSEN, 2003), a otimização de forma visa a melhor forma possível dos contornos das estruturas, sendo aplicada a problemas de concentração de tensões.

Entende-se que para este tipo de processo não é permitido a introdução ou remoção dos elementos e nem dos nós que pertencem ao modelo. O processo em si se da pelo reposicionamento dos nós de uma estrutura. A Figura 1 demonstra um exemplo deste processo.

Figura 1- Otimização de forma

2.2 Otimização topológica
O processo de otimização topológica estrutural tem por definição a modificação de uma concepção inicial por um método de programação linear sequencial (ou SLP- “sequential linear programming”), a qual tem por função fazer iterações no modelo até que os requisitos da otimização sejam satisfeitos, respeitando os critérios definidos pré-definidos como seus limites, podendo ser sua massa, seu volume ou outros.

Essa modificação da concepção inicial é feita pela alteração do padrão de conectividade ou da disposição espacial dos elementos e nós presentes na estrutura. Com palavras mais simples, este processo de otimização retira o material da estrutura onde esta não é solicitada e faz permanecer
o material onde for requisitado (em partes onde as tensões são elevadas, podendo causar falhas)  garantindo assim uma minimização ou maximização da função objetivo definido inicialmente. A Figura 2 mostra como um modelo de um plano de duas dimensões bi apoiado foi otimizado de maneira topológica a partir de uma força aplicada.

Figura 2 – Otimização topológica

Este tipo de processo é o mais utilizado nos dias atuais, pois pode alcançar resultados ótimos de modelos tantos simples como apresentado acima, mas também em modelos mais complexos como mostra a Figura 3, onde representa na concepção inicial uma biela de um motor qualquer, mas de uma forma mais robusta. A sequência de passos representa a aplicação de CAE (“Computer-Aided Engineering”), onde se realiza a análise das forças aplicadas nesta biela a partir da rotação do eixo e do movimento do pistão localizado na parte superior desta. No próximo passo se encontra o modelo na concepção final onde a peça é otimizada tomando o formato básico de uma biela comum encontrada no mercado.

Figura 3 – Otimização topológica de uma biela

O processo também pode ser realizado não somente com forças aplicadas, mas também com  limitações como evitar frequências específicas na estrutura para que não ocorra problemas de ressonâncias podendo ocasionar falhas. A próxima imagem mostra o modelo ótimo de três planos em duas dimensões com condições de contornos diferentes, o primeiro é bi apoiada, o segundo é  engastada nos dois lados e o último é engastado no lado esquerdo e apoiado no lado direito. A análise realizada com o intuito de otimizar estes modelos foi a modal, otimizando estes planos para que comportem-se da melhor maneira possível em todos os modos vibracionais. A Figura 4 mostra o que foi discutido acima.

Figura 4 – Otimização topológica com análise modal

3 Elementos de uma Otimização
Para ser possível uma otimização, esta deve conter algumas ferramentas para que possa ser realizada tais mudanças no modelo inicial, e por fim chegue a sua concepção final com sua forma ótima. Para se definir um problema de otimização deve-se ter:
– Um conjunto de variáveis de projeto (propriedades do material, dimensões do modelo) que serão variadas para a sua ótima forma.
– Uma função objetivo, a qual será responsável pela maximização ou minimização do problema.
– Um conjunto de restrições que serão pré-definidas e que seriam as limitadores deste processo.

3.1 Variáveis de projeto
São representadas por parâmetros que definem o sistema, demonstrado pelo vetor coluna abaixo:

Essas variáveis de projeto são parâmetros do modelo utilizado, como dimensões tanto de seções transversais como de comprimento e controlam também as propriedades do material, como tensões admissíveis e módulo de elasticidade.

3.2 Função Objetivo
É esta função que será responsável pela otimização, é ela que esta diretamente envolvida com os problemas a serem otimizados, tais como, deslocamento, tensões, volume do modelo, frequências de
vibrações de risco, entre outras. Esta função pode ser definida como:
𝑓(𝑥) 𝑜𝑢 𝑓(𝑥) = [𝑓1(𝑥), 𝑓2(𝑥), … , 𝑓𝑛(𝑥)]

3.3 Restrições
São todas as exigências as quais o projeto deve seguir e respeitar. Podem ser de três tipos:
– Restrições de igualdade (quando é fixado um valor de algum parâmetro, por exemplo, um  deslocamento).
– Restrições laterais (limitam por cima ou por baixo as variáveis de projeto).
– Restrições de desigualdade (limitam por cima ou por baixo as variáveis de projeto).


4 Problema na Otimização
Ao se realizar todo o processo de otimização topológica através do método de programação linear  sequencial (ou SLP- “sequential linear programming”), no final obtemos a solução ótima, porém esta apresenta em vários locais densidades intermediárias no seu modelo. A densidade intermediária é  definida por qualquer valor esteja entre um intervalo de 0 até 1 da densidade ρ do material, onde 0 é a localização onde o material foi retirado e 1 é a localização onde o material deve permanecer. Quando  esta densidade for intermediária, o processo de fabricação se torna muito difícil, pois não é nada fácil fabricar um produto com diferentes densidades.

Entretanto, para solucionar este problema é necessário aplicação de uma penalização que tem como  função “limpar” a topologia final, fazendo o máximo para evitar a aparição destas áreas com  densidades intermediárias. Assim temos por fim uma concepção final ótima bem melhor distribuída.

5 Conclusão
Pode-se concluir de fato que em dias atuais a otimização vem sendo não somente uma opção de  melhoria, mas sim uma necessidade para se obter melhores resultados e maiores lucros em empresas.
Com este trabalho foi possível definir uma sequência básica de como a otimização funciona, dando ênfase no processo topológico o qual tem maior abrangência nos dias de hoje, e o qual os softwares de otimização tem por base.

Referências
VERZENHASSI, C. C. (2008). Otimização de risco estrutural baseada em confiabilidade. Dissertação de Mestrado. Escola de Engenharia de São Carlos. USP

PEDERSEN, P. (2003). Optimal Designs – Structures and Materials – Problems and Tools.  Department of Mechanical Engineering, Solid Mechanics, Technical University of Denmark.

K.-U. Bletzinger, K. Maute, E. Ramm (1996). Structural Concepts by Optimization. Institut fur  Baustatik, University of Stuttgart.

João Pedro Sabi Mattia
Aluno de Engenharia Mecânica UFSM