Neste artigo, exploramos os conceitos fascinantes de resistência e rigidez em engenharia. Ficará a saber como estes princípios garantem a segurança e a durabilidade dos objectos do quotidiano, desde pontes a ecrãs de smartphones. Junte-se a nós para descobrir os segredos por detrás das maravilhas da engenharia!
Para garantir o funcionamento correto de um sistema ou estrutura mecânica, cada componente deve ser capaz de desempenhar eficazmente a função a que se destina. O objetivo da conceção de segurança de componentes de engenharia é garantir que os componentes têm a resistência, a rigidez e a estabilidade adequadas.
A estabilidade é um conceito amplamente compreendido, que se refere à capacidade de manter ou recuperar o seu estado de equilíbrio original sob ação de forças externas. Por exemplo, a flexão súbita de uma barra fina sob pressão, o colapso de uma coluna de um edifício devido a uma falha de suporte de carga ou a encurvadura de elementos de paredes finas são exemplos de instabilidade.
Hoje, vou concentrar-me em discutir a minha compreensão da rigidez e da força.
Definição: A capacidade de componentes ou peças resistirem a danos (fratura) ou a deformações substanciais quando sujeitos a forças externas.
Por exemplo, o Tomás utilizou o seu iPad como balança, mas quando se pôs em cima dele, o ecrã partiu-se, o que indica uma falta de força. Da mesma forma, muitos ramos grandes partem-se durante ventos fortes no verão, demonstrando falta de força.
A resistência é uma medida da capacidade de um material para resistir a uma falha, como uma fratura. Normalmente, engloba a resistência à tração e a resistência à compressão, que reflectem a quantidade de falha do material sob tensão.
A unidade de medida da resistência é geralmente expressa em MPa.
Fratura frágil: uma fratura súbita que ocorre sem deformação plástica evidente.
Por exemplo, a fratura de uma amostra de ferro fundido ao longo da secção transversal durante um ensaio de tração, e a fratura de uma amostra de ferro fundido com uma secção transversal circular ao longo da secção oblíqua durante um ensaio de torção.
Rendimento do plástico: o material produz uma deformação plástica significativa e faz com que o componente perca a sua capacidade de trabalho.
Por exemplo, a amostra de aço com baixo teor de carbono terá uma deformação plástica significativa durante a tensão ou a torção.
1. Teoria da tensão máxima de tração:
Quando a tensão máxima de tração σ1 num ponto do elemento atinge a tensão máxima σb sob condições de tensão unidirecional, o material sofrerá uma fratura frágil. Assim, os critérios para a falha por fratura frágil de componentes com pontos críticos sob condições de tensão complexas são: σ1 = σb.
Por conseguinte, as condições de resistência estabelecidas pelo primeiro teoria da força são: σ1 ≤ σb.
2. Teoria da tensão máxima de tração:
Quando a deformação máxima de tração ε1 atinge o valor limite εu sob condições de tensão unidirecional, o material irá falhar devido a fratura frágil. Isto pode ser expresso como ε1 = εu.
A partir da Lei de Hooke generalizada, podemos calcular ε1 como: ε1 = [σ1 - u(σ2 + σ3)] / E, logo σ1 - u(σ2 + σ3) = σb.
As condições de resistência estabelecidas pela segunda teoria de resistência são: σ1 - u(σ2 + σ3) ≤ σb.
3. Teoria da tensão de cisalhamento máxima:
Quando a tensão de corte máxima τMax atinge a tensão de corte última τ0 em condições de tensão unidirecional, o material falha devido à cedência. Isto pode ser expresso como τMax = τ0.
A fórmula para a tensão de corte numa secção inclinada durante uma tensão axial é τ0 = σs/2 (σs é a tensão normal na secção transversal). A fórmula para τMax é (σ1 - σ3)/2. Assim, a condição de dano pode ser reescrita como σ1 - σ3 = σs.
A condição de resistência estabelecida pela terceira teoria de resistência é: σ1 - σ3 ≤ σs.
4. Teoria da energia específica da mudança de forma:
Quando o rácio de mudança de forma num ponto da barra atinge o valor limite sob condições de tensão unidireccionais, o material irá falhar devido à cedência.
A condição de resistência estabelecida pela quarta teoria da resistência é:
√(σ1^2 + σ2^2 + σ3^2 - σ1σ2 - σ2σ3 - σ3σ1) < σs.
Definição: refere-se à capacidade dos elementos ou peças de resistir à deformação elástica ou ao deslocamento sob a ação de uma força externa, ou seja, a deformação elástica ou o deslocamento não devem exceder a gama admissível do projeto.
A rigidez é um parâmetro que reflecte a relação entre a deformação estrutural e a força, indicando a quantidade de deformação produzida por uma determinada quantidade de força aplicada.
Em termos simples, a rigidez é semelhante a uma molaem que a rigidez da mola é definida como a relação entre a força de tração e o alongamento. A unidade de rigidez é normalmente expressa em N/m.
Quando a carga aplicada é constante, é designada por rigidez estática.
Quando a carga é alternada, chama-se rigidez dinâmica.
A rigidez estática engloba a rigidez estrutural e a rigidez de contacto.
A rigidez estrutural refere-se à rigidez da própria barra e inclui a rigidez à flexão e a rigidez à torção.
1. Rigidez à flexão: calculada de acordo com a seguinte fórmula:
K=P/δ
Onde P - carga estática (n);
δ-- Deformação elástica na direção da carga（ μm)。
2. A rigidez à torção é calculada de acordo com a seguinte fórmula:
Km=ML/θ
Onde M - binário aplicado (n - m);
L - distância entre a posição de ação do binário e a extremidade fixa (m);
θ-- Ângulo de torção (°)
A partir da explicação acima sobre resistência e rigidez, pode ver-se que a resistência se centra na falha sob força externa e é classificada em falha por rendimento plástico e falha por fratura frágil, que está relacionada com a curva tensão-deformação durante o ensaio de tração. Em comparação, a rigidez diz respeito à relação entre a deformação e a força.
Como mostra a fig.
A curva da figura pode ser dividida em quatro fases:
1. Fase de deformação elástica;
2. Estádio de rendimento;
3. Fase de reforço;
4. Fase de necking local.
A rigidez é definida como a resistência à deformação elástica, que ocorre na fase inicial, e é regida pela lei de Hooke em condições elásticas.
Cálculo da rigidez à flexão e da rigidez à torção sob cargas estáticas é semelhante à lei de Hooke, sugerindo que a rigidez só é medida durante a fase de deformação elástica.
Na fase seguinte, quando ocorre a deformação plástica durante o ensaio de tração, a deformação residual não desaparece. Na curva tensão-deformação, embora a tensão permaneça quase inalterada, a deformação aumenta significativamente. Nesta altura, a tensão atinge o limite de elasticidade e o material entra na fase de rutura por deformação plástica. À medida que a tensão continua a aumentar, a deformação também aumenta até atingir o limite de resistência.
Por conseguinte, a medição da resistência ocorre depois de o material sofrer uma deformação elástica e antes de atingir o limite de resistência.
Em conclusão, tanto a rigidez como a resistência são avaliadas durante a fase de rotura das peças, sendo a rigidez medida pela tensão e a resistência medida pela deformação.
Em termos da sua ordem no processo de deformação, a rigidez ocorre na fase inicial, enquanto a resistência ocorre na fase posterior.
Assim, ao avaliar as condições de falha das peças, desde que os requisitos de rigidez sejam cumpridos, a peça deve ser capaz de suportar tensões suficientes durante a fase de deformação elástica, o que, por sua vez, deve cumprir os requisitos de resistência.
Esta relação reflecte-se em vários modelos, tais como o veio do equipamento mecânico. Normalmente, a dimensão do veio é determinada com base nas condições de resistência e, em seguida, a sua rigidez é verificada com base nas condições de rigidez.
Por conseguinte, os requisitos de rigidez para veios de máquinas de precisão são muito elevados e a conceção da sua secção transversal é frequentemente controlada por condições de rigidez.
Como fundador da MachineMFG, dediquei mais de uma década da minha carreira à indústria metalúrgica. A minha vasta experiência permitiu-me tornar-me um especialista nos domínios do fabrico de chapas metálicas, maquinagem, engenharia mecânica e máquinas-ferramentas para metais. Estou constantemente a pensar, a ler e a escrever sobre estes assuntos, esforçando-me constantemente por me manter na vanguarda da minha área. Deixe que os meus conhecimentos e experiência sejam uma mais-valia para a sua empresa.
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