LOWER CONTROL ARM OPTIMIZATION USING THE FINITE ELEMENT METHOD

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LOWER CONTROL ARM OPTIMIZATION USING THE FINITE ELEMENT METHOD
Luiz Antônio Fernandes
Miguel Canhizares Dias Filho
Introdução
A otimização de formas e parâmetros utiliza métodos computacionais para minimizar ao máximo os parâmetros secundários de peças, garantindo assim robustez e performance com o mínimo custo em material, principalmente. O processo de otimização já é amplamente difundido na indústria, com uso extensivo principalmente na indústria automotiva e aeronáutica Este trabalho visa a otimização de um braço de suspensão mantendo um coeficiente de segurança de no mínimo 3 com redução de, no mínimo 20% da massa original da peça.
As dimensões fixas da peça são apresentadas na Figura 1, enquanto as cargas operacionais da peça são exibidas na Figura 2.
Figura 1: Dimensões Iniciais da peça
O pino e o fixador alinhados com o eixo x têm restrição em z e rotação fixa em y e z, enquanto o fixador paralelo ao eixo z é fixo em x e y. A peça é feita de aço estrutural e as propriedades do material utilizadas para a otimização são apresentadas na Tabela 1. 
Figura 2: Cargas Operacionais
materiais e metodos
A otimização se dará com o uso do software ANSYS CFD com uma malha de 8 mm. A ferramenta Shape Optimization permite que, a partir de um estudo de distribuição de cargas, seja elencado os elementos da peça que não estão a sofrer esforços significativos, e, portanto, podem ser retirados. 
Tabela 1: Propriedades do Aço Estrutural
	Modulo de Young (E)
	2.1×105 MPa
	Coeficiente de Poisson (μ)
	0.3
	Densidade (ρ)
	7.85×10-6 kg/mm3
	Tensão última de ruptura
	950 MPa
	Limite de elasticidade a tensão
	700 MPa
	Limite de elasticidade a compressão
	700 MPa
A limitação deste método se dá pelo fato da análise dar uma resposta visual das áreas com menor tensão e que podem ser retiradas, e, portanto, a geometria acaba por não ser a mais otimizada, por ser redesenhada por estimativa.
Com o software SolidWorks, uma primeira versão da peça é modelada, e, após a primeira otimização, o modelo volta para o software CAD para reformulação a partir dos dados fornecidos. A geometria reformulada é analisada a partir de uma análise estrutural independente para confirmar que o coeficiente de segurança proposto é respeitado, uma vez que a otimização reduz a massa até que a geometria entre em colapso, sem levar em consideração um fator de segurança.
O ANSYS CFD ainda permite que, a partir de uma análise estrutural, alguns parâmetros sejam configurados e por iteração o software apresenta as melhores soluções para o problema dado. A geometria otimizada manualmente será importada novamente para o ANSYS CFD para a realização desta análise, que se dá pelo recurso Response Surface Optimization, a fim de obter uma diminuição ainda maior da massa.
 
 Resultados e discussão
O modelo inicial da peça antes da otimização é apresentado na Figura 3.
Figura 3: Peça antes da otimização
A otimização focou a redução de massa de 20% na primeira tentativa. O perfil gerado pelo Shape Optimization é exibido na Figura 4. 
Figura 4: Material a ser retirado segundo análise com o recurso Shape Optimization.
A otimização formulada pelos autores como a ideal para o método Shape Optimization à geometria em questão é apresentada na Figura 5.
Figura 5: Peça Otimizada
A massa original da peça era de 12.851kg, e a massa otimizada teve redução de 27%, com 9.376kg. O coeficiente de segurança da geometria inicial é de 7.27, e para a geometria proposta é de 6.01. 
Esta geometria foi importada para o ANSYS CFD para a Respose Surface Optimization, e obteve uma redução de massa de 2.25% em relação a geometria otimizada (29,25% em relação a geometria original), com massa final de 9.09 kg. O fator de segurança para esta nova geometria foi de 5.35. A geometria com os parâmetros otimizados é apresentada na Figura 6
Figura 6: Peça otimizada
Foram inseridos 12 parâmetros geométricos que definiam as três regiões no entremeio da peça sem material mais a massa, a ser reduzida ao máximo, e o coeficiente de segurança, que devia ser no mínimo 3. Estes valores são apresentados na Tabela 2.
Tabela 2: Coeficientes Originais e Otimizados
	Parâmetro
	Valor Original
	Valor Otimizado
	D1
	10 [mm]
	10.403 [mm]
	D2
	10 [mm]
	10.403 [mm]
	D4
	15 [mm]
	15.605 [mm]
	D5
	44.6 [mm]
	46.398 [mm]
	D7
	15 [mm]
	15.605 [mm]
	D8
	173.7 [mm]
	180.72 [mm]
	D9
	15 [mm]
	15.605 [mm]
	D10
	185.3 [mm]
	192.81 [mm]
	D11
	14.6 [mm]
	15.205 [mm]
	D12
	139 [mm]
	144.6 [mm]
	D13
	14.1 [mm]
	14.673 [mm]
	D14
	146.7 [mm]
	152.57 [mm]
	Massa
	9.376 [kg]
	9.0924 [kg]
	Fator de Segurança
	6.01
	5.3546
Conclusão
A otimização da peça cumpriu com os pré-requisitos, com uma geometria, massa e coeficiente de segurança satisfatórios. Outras geometrias são passíveis de obterem critérios semelhantes, mas uma vez que o objetivo foi elencado e atingido, a geometria proposta pode ser considerada aceita. 
O recurso Respose Surface Optimization se mostrou eficaz na otimização de parâmetros, mas como este depende da geometria inicial inserida pelo usuário, uma proposta de geometria sem o Shape Optimization não originaria um resultado tão eficaz, pelo desconhecimento da distribuição de tensões na peça.
Referencias
DHANU, G.; KATTIMANI, R.S.; Comparison study of lower control arm with diferente material, International Research Journal of Engineering and Technology, Volume: 03 Issue: 10, Oct -2016.
MESQUITA, Luis. Lower Control Arm Optimization using the Finite Element Method (Ansys Workbench) – Appointments. 2018.