RELATÓRIO TÉCNICO-CIENTÍFICO FINAL
(Observação: as informações prestadas neste relatório poderão, no todo ou em parte, ser
publicadas pela FAPESC.)
1. IDENTIFICAÇÃO DO PROJETO (item a ser preenchido pela FAPESC)
1.1. N° do Contrato: 12441 / 2007-9 Nº Convênio: Nº FCTP: 1275 / 0000 Chamada Pública a que se refere: Pesquisa Universal CT&I FAPESC 03/2006
1.2. Título do Projeto: Simulação Numérica de Processos de Conformação Mecânica
1.3 Grande Área do Conhecimento (usar a nomenclatura do CNPq):
Engenharia Mecânica / Mecânica dos Corpos Sólidos, Elásticos e Plásticos
1.4. Coordenador(a) do Projeto: Miguel Vaz Júnior
1.5. Localização do projeto (Cidade/Região/SDR): Joinville / Litoral Norte / 23
1.5.1. Instituição: Universidade do Estado de Santa Catarina – Campus Joinville
1.6.1. Valor total do projeto (incluindo todos os intervenientes): R$ 87.043,89
1.6.2. Participação da FAPESC: R$ 19.905,49
Custeio: R$ 16.291,81
Capital: R$ 3.613,68
1.6.3. Outras instituições participantes (nomear): ------
1.7. Início do Projeto:
05 / 09 / 2007
Término: 31 / 12 / 2008
______________________________________________________________________________________________
1.8 Equipe Executora
Nome
Titulação
Instituição
Função no projeto
Miguel Vaz Júnior
Doutor
UDESC
Coordenador
Pablo A. Muñoz Rojas
Doutor
UDESC
Pesquisador
Eduardo A. Souza Neto
Doutor
Swansea University
Colaborador
Andreas Öchsner
Doutor
University of Malaysia
Colaborador
Guillermo J. Creus
Doutor
UFRGS
Colaborador
1
2
DESCRIÇÃO DA PESQUISA, RESULTADOS E IMPACTOS
2.1 Resumo da pesquisa (até 500 palavras, espaço simples, fonte times new roman, tamanho 10).
A "Conformação mecânica" é o ramo da engenharia mecânica que estuda operações tais como o forjamento e a
estampagem. No projeto de ferramentas para a execução destas operações são geralmente utilizados procedimentos
padrões, muitos dos quais advindos de anos de experiência prática. Esta metodologia apresenta limitações, tais como as
dificuldades na predição do aparecimento de defeitos e no projeto do ferramental para operações com novos materiais.
Deste modo, a simulação numérica de processos de conformação mecânica se apresenta como uma alternativa de
projeto moderna e capaz de superar estas dificuldades. Por outro lado, a simulação numérica deste tipo de problema é
complexa, pois envolve aspectos como grandes deformações elasto-plásticas, efeitos térmicos (efeitos da variação de
temperatura) e degradação mecânica do material (nucleação e crescimento de micro-defeitos) dentre outros. A
determinação do valor dos parâmetros utilizados nos modelos numéricos é outro aspecto importante nesta classe de
problemas. Este projeto está inserido neste contexto, tendo como objetivo o estudo, desenvolvimento e implementação
de modelos voltados para a inclusão dos efeitos térmicos e da degradação do material em código computacional voltado
para a conformação mecânica. O modelamento numérico deste problema foi feito com auxílio do Método dos
Elementos Finitos e pode ser dividido em três grandes temas:
Efeitos Térmicos: Os efeitos térmicos são evidenciados pelo acoplamento entre a resposta mecânica do material e a
transferência de calor durante o processo de conformação. Este projeto envolveu o estudo, desenvolvimento e
implementação de modelo numérico capaz de resolver simultaneamente os problemas mecânico e térmico de modo a
permitir a troca de informações, tais como coordenadas nodais instantâneas e geração de calor por dissipação plástica.
Degradação Mecânica do Material: Os processos de conformação mecânica são caracterizados pelas grandes
deformações plásticas que ocorrem no material. Adicionalmente, a magnitude de tais deformações aliada ao estado de
tensão interno pode levar à nucleação de micro-defeitos a partir das inclusões e contornos de grão do material. Deste
modo, neste projeto foram estudados, desenvolvidos e implementados modelos constitutivos que considerem a ação
acoplada da deformação plástica, estados de tensão, nucleação e crescimento dos micro-defeitos.
Identificação de Parâmetros: O procedimento de identificação dos parâmetros dos materiais abordado neste projeto foi
baseado em técnicas de solução problemas inversos utilizando métodos de otimização. Esta estratégia permitiu que
parâmetros do modelo constitutivo do material, tanto da curva de encruamento quanto do modelo de dano, fossem
determinados a partir de ensaios mecânicos para faixas de deformação plástica condizentes com processos de
conformação mecânica. Esta técnica permite que se faça simulações mais realistas dos processos de conformação
mecânica que, por conseguinte, propicia melhoria no projeto de matrizes e componentes mecânicos.
2.2 Caracterização da Pesquisa:
PESQUISA BÁSICA (PB):
PB visando o avanço do conhecimento sobre o tema em estudo (BAC)
PB para avançar conhecimento, com potencial de aplicação tecnológica (BT) √
PB para o avanço do conhecimento, com potencial para contribuir em políticas públicas (BP)
PB visando avançar o conhecimento, com potencial de aplicação pública ou privada (BPP)
PESQUISA TECNOLÓGICA (PT)
PESQUISA EM POLÍTICAS PÚBLICAS (PP)
PESQUISA TECNOLÓGICA E POLÍTICAS PÚBLICAS (TPP)
2
2.3 Síntese de resultados e impactos da pesquisa - cumprimento dos objetivos; impactos dos
resultados da pesquisa: avanço do conhecimento; inovação tecnológica; benefícios sociais,
econômicos, ambientais, culturais e regionais, efetivos ou esperados; contribuição à formulação
de políticas públicas; outros impactos ou efeitos observados ou potenciais (até 500 palavras,
espaço simples, fonte times new roman, tamanho 10).
Operações de conformação mecânica, tais como forjamento, estampagem, usinagem, dobramento e outras, estão
presentes em diversos estágios do processo de manufatura de componentes metálicos. No contexto brasileiro, o projeto
das ferramentas para a execução destas operações, em geral, é baseado em experiência prática e regras de projetos
antiquadas. Os desenvolvimentos alcançados por este projeto constituem em um primeiro passo no sentido de
possibilitar a otimização do procedimento com conseqüente redução de custo. Foram focados neste projeto três aspectos
principais: (a) acoplamento termomecânico, (b) predição no aparecimento de defeitos através do mecanismo de fratura
dúctil e (c) estimativa de parâmetros constitutivos dos materiais.
(a) Acoplamento termomecânico: As forças envolvidas no processo de deformação plástica dependem diretamente da
curva de encruamento do material que, por sua vez, depende da temperatura. Neste projeto foram estudados modelos de
acoplamento termomecânico, sendo implementadas as técnicas “seqüenciais” e “entrelaçadas”. A primeira resolve de
forma seqüencial passos mecânicos e térmicos enquanto que a segunda considera a variação da temperatura no próprio
processo iterativo da solução mecânica. Esta última é indicada para problemas muito sensíveis à variação de
temperatura.
(b) Predição do aparecimento de defeitos: As metodologias de projeto convencionais, largamente empregadas, não são
capazes de predizer com exatidão o surgimento de defeitos. Por exemplo, no projeto de uma matriz de forjamento deve
ser previsto o fluxo plástico do material e o estado de tensão interna durante a operação a fim de minimizar a
possibilidade do aparecimento de defeitos. Os procedimentos de projetos padrão apresentam apenas recomendações, as
quais são, na maioria das vezes, insuficientes para garantir a ausência de defeitos. Por outro lado, as técnicas
desenvolvidas neste projeto possibilitam a determinação da localização do surgimento de um defeito durante um
processo de deformação plástica devido à fratura dúctil. Esta estratégia foi baseada na utilização de modelos capazes de
predizer a degradação mecânica do material durante um processo de conformação. O modelo de dano implementado é
totalmente acoplado com o problema de deformação plástica e permitiu a predição do início da fratura tanto em
problemas predominantemente trativos quanto compressivos.
(c) Estimativa de parâmetros constitutivos dos materiais: Qualquer simulação numérica requer o conhecimento de
parâmetros dos modelos constitutivos do material. Por exemplo, o modelo mais simples (elástico-linear) exige que se
conheça o “módulo de Young” e o “coeficiente de Poisson”. Entretanto, na simulação de processos de conformação
mecânica, é necessária a determinação dos parâmetros relacionados com a deformação plástica, como aqueles que
descrevem a curva de encruamento mencionada no item (a). Adicionalmente, quando se utiliza um modelo de dano, a
determinação de outros parâmetros também é necessária. A estratégia de determinação destes parâmetros empregada
neste projeto é conhecida por “identificação de parâmetros”. O procedimento de identificação de parâmetros faz parte
de uma classe de problemas conhecidos por “problemas inversos”. Este tipo de metodologia consiste em encontrar
certas condições iniciais do problema direto, ou certas variáveis do próprio processo, que permitem alcançar resultados
previamente conhecidos ou desejados. O método implementado não somente permitiu a determinação tanto de
parâmetros elasto-plásticos quanto do modelo de dano utilizado, mas também consistiu em um avanço no conhecimento
desta técnica.
3. DETALHAMENTO TÉCNICO
3.1. Data: 4 / 02 /2009
Prestação de contas financeira: Finalizada
√
Em atraso
3.2. Avaliação (feita pelo(a) coordenador(a) da pesquisa):
3
A) O Projeto se desenvolveu segundo a proposta originalmente definida?
Sim
√
Não
Se houve mudanças significativas, elas foram especificadas e justificadas?
Sim
√
Não
Houve solicitação de alteração de rubrica (custeio/capital)?
Não √
Sim
Descrever as alterações: Não houve mudanças significativas nem alterações de rubrica.
B) Equipamentos adquiridos, quando for o caso:
(a) Microcomputador completo (Intel Core 2 duo e 3 GHz; memória 2Gb DDR2; Disco rígido HD
Sata 2 300 Gb; gravador de DVD; teclado ABNT 2; mouse ótico; monitor LCD 17”);
(b) Nobreak (700 VA).
C) Problemas ou dificuldades na execução do projeto, quando houver:
A dificuldade principal foi o atraso na assinatura do contrato e na liberação das parcelas dos
recursos aprovados por parte da FAPESC. Este atraso fez com que os prazos estabelecidos
inicialmente no projeto não fossem cumpridos. Neste sentido, a participação na conferência
COMPLAS 2007, prevista no projeto original, foi inviabilizada. Outrossim, a participação nos
congressos DSL 2008 e ACE-X 2008 foi aprovada pela FAPESC, em substituição ao COMPLAS
2007, conforme ofício FAPE 460/08 de 3 de junho de 2008.
D) Objetivos e metas previstas foram atingidas?
Totalmente
√
Parcialmente
Comentar: Todas as metas propostas foram plenamente alcançadas, conforme ilustra o quadro de
metas e indicadores mostrado abaixo.
METAS
INDICADORES
RESULTADOS
(A.1) Problema mecânico
Código computacional
PA
(A.2) Problema térmico
Código computacional
PA
(A.3) Condições de acoplamento
Código computacional e relatório PA
(B.1) Modelo constitutivo
Código computacional
PA
(B.2) Identificação de parâmetros
Código computacional e artigo
PA
(B.3) Efeitos térmicos conjugados
Código computacional e artigo
PA
(*) PA = Plenamente Alcançada; PR= Parcialmente Alcançada; NA= Não Alcançada.
4
E) Disseminação do conhecimento e produção gerada pela pesquisa:
- Artigos publicados ou encaminhados – (quantidade):
- Dissertações ou teses originadas ou incorporadas:
- Livros publicados ou encaminhados:
- Divulgação na Internet:
- Participação em Congressos, Simpósios ou Seminários:
- Registro de Propriedade Intelectual:
- Outros:
Artigos em periódicos: Durante o período compreendido pelo projeto (5 de setembro de 2007 a 31 de dezembro de
2008) foram submetidos artigos para os periódicos internacionais “International Journal of Damage Mechanics”,
“Defect and Diffusion Forum” e “Experimental Mechanics”. Os artigos submetidos aos dois primeiros já foram aceitos
e serão publicados no decorrer do ano de 2009. Um agradecimento à FAPESC foi incluído em todos os artigos.
Participações em congressos: Aspectos dos desenvolvimentos efetuados também foram apresentados nos congressos
internacionais “2nd International Conference on Advanced Computational Engineering and Experimenting – ACE-X
2008” e “4th International Conference on Diffusion in Solids and Liquids, DSL-2008”, ambos realizados na cidade de
Barcelona (Espanha).
Dissertações: As técnicas de “identificação de parâmetros” desenvolvidas no projeto estão sendo incorporadas em
dissertação de mestrado associada ao Programa de Pós-graduação em Ciência e Engenharia de Materiais da UDESC
F) Principais benefícios efetivos ou potenciais para a sociedade em decorrência da pesquisa,
entre os seguintes aspectos, no que couber:
Incremento da renda familiar......................
Melhoria da saúde.....................................
Aumento da ocupação/emprego..................
Melhoria do saneamento...........................
Redução da jornada de trabalho..................
Melhoria da moradia.................................
Melhoria do sist. de transporte....................
Melhoria da alimentação...........................
Melhoria do sist. de comunicação................
Alternativa econômica/renda....................
Melhoria do fornec. de energia.....................
Melhoria da organização social..................
Aquisição de bens duráveis.........................
Melhoria na educação................................
Satisfação do beneficiado............................
Avanço do conhecimento científico............. √
Melhoria do Meio Ambiente.........................
Inovação tecnológica..................................
Diretrizes para Políticas Públicas................
Melhoria em Sistema de Gestão..................
Avaliação de Políticas Públicas ...................
Regulação setorial......................................
Avaliação da Tecnologia no setor ................
Avaliação de condições Socioeconômicas....
Contribuição ao Desenvolvimento Regional.. √
Contribuição à inserção social....................
Possibilidade de obter patente.....................
Redução da desigualdade social.................
Agregação de valor a produtos.....................
Redução de consumo de energias..............
Redução de resíduos...................................
Outros: √
Descrever os benefícios assinalados:
As técnicas desenvolvidas apresentam grande potencial para a redução de custo de fabricação de
componentes mecânicos fabricados por conformação mecânica através da redução de defeitos. Isto
vem ao encontro da necessidade do parque industrial metal-mecânico da região de Joinville.
Adicionalmente, as estratégias implementadas são novas e constituíram em um avanço na área de
simulação numérica de processos envolvendo deformações elasto-plásticas.
5
4. VERIFICAÇÃO TÉCNICA DO PROJETO (campo da FAPESC)
4.1 Mediante as informações apresentadas pelo(a) coordenador(a) do projeto no presente
relatório, verifica-se que os objetivos, metas e resultados previstos foram:
Plenamente atingidos
Parcialmente atingidos
Não foram atingidos
4.2 Recomendações e encaminhamentos:
Florianópolis, SC, ________de___________________de
Coordenador-de-projetos/FAPESC:
6