Obtenção numérica do perfil térmico durante passagem de fonte de calor nos materiais AISI 410, 304L e 430

Autores

DOI:

https://doi.org/10.33448/rsd-v9i7.3884

Palavras-chave:

Elementos finitos; Perfil térmico; Aços inoxidáveis.

Resumo

O método de elementos finitos é uma análise numérica capaz de responder diversos problemas transientes, não lineares da engenharia. O objetivo desse trabalho foi realizar uma pesquisa experimental de análise numérica via elementos finitos, em busca da resposta a um aporte térmico em três materiais inoxidáveis, sendo eles AISI 410, AISI 304L e AISI 430. Para isso foi utilizado o software Ansys® Academic 2020R1, nele foram modeladas chapas nas dimensões de , com um caminho de passagem da fonte de calor de . Os materiais foram criados com suas propriedades físicas transiente. A fonte de calor adotada foi a Gaussiana, retirada de uma extensão matemática própria para o software. Foram consideradas as perdas de calor por condução na peça, convecção e radiação no ambiente. A construção do perfil de temperatura de cada material foi construída de acordo com a temperatura máxima atingida, temperatura em pontos específicos e máximo fluxo de temperatura. Os dados dos perfis de temperatura dos materiais foram comparados utilizando por análise estatística ANOVA, utilizando o teste de Tukey. Os resultados mostraram a possibilidade de realizar simulação de processos de soldagem com as condições de contorno adotadas, mostraram que não há uma diferença de máxima temperatura entre os três materiais, entretanto existe uma diferença significativa entre os máximos fluxos de temperatura obtidos entre os três matérias, fato justificado pelas suas diferenças de propriedades físicas. Além disso, os dados de perfil térmico permitem análises estruturais dos materiais, bem como predições de caminhos a seguir em ajuste de parâmetros experimentais.

Biografia do Autor

Rafael Leandro Fernandes Melo, Instituto Federal do Ceará. Universidade Federal do Ceará

Professor E.B.T.T D102 do Instituto Federal do Ceará - IFCE. Avaliador de cursos de graduação do Instituto Nacional de Estudos e Pesquisas Educacionais Anísio Teixeira - INEP. Doutorando em Engenharia dos Materiais pela Universidade Federal do Ceará. Mestre em Engenharia dos Materiais pela Universidade Federal Rural do Semi-Árido (2019) - UFERSA, graduado em Engenharia Mecânica pela Universidade Federal Rural do Semi-Árido (2016) - UFERSA. Tem experiência na área de Engenharia Mecânica e Engenharia de Materiais, com ênfase em modelagem computacional de materiais metálicos, semi-metálicos e orgânicos.

Allan da Silva Maia, Instituto Federal do Ceará

Possui graduação em QUÍMICA pela Universidade Estadual do Ceará (2012) e graduação em ELETROMECÂNICA pelo Instituto Centro de Ensino Tecnológico (2007). Atualmente é professor efetivo do Instituto Federal do Ceará. em experiência na área de Engenharia Elétrica, com ênfase em Manutenção Elétrica. Atuou com os seguintes temas: polissacarídeos, lectinas, cromatografia e zeólitas. Tem experiência na área de Engenharia de Materiais e Metalúrgica, com ênfase em Soldagem, atuando principalmente nos seguintes temas: descontinuidade, dimensionamento, ensaios mecânicos, AWS E ASME seção IX e ensaios não destrutíveis.

Dehon da Rocha Junior, Instituto Federal do Ceará

Possui Mestrado Acadêmico em Engenharia Mecânica (2020) pela UFRN. Especialização em Engenharia e Gerenciamento de Manutenção (2017) e em Engenharia de Produção pela Universidade Cândido Mendes (2017). Graduação em Engenharia Mecânica (2016) e em Ciência e Tecnologia (2013) pela Universidade Federal Rural do Semi-Árido. Atuou em manutenção de conjuntos motobombas submersas na empresa DJ Motores Elétricos (2012 à 2017). Atualmente atua como Professor do IFCE (desde 2019).

 

Alessandro Jacinto Rodrigues Carvalho, Instituto Federal do Ceará

Bacharel em Ciência e Tecnologia pela UFERSA desde 2012 e Graduado em Engenharia Mecânica desde 2015. Possui participação na fundação da equipe do projeto de extensão Cactus Baja SAE participando na equipe do subsistema de frenagem dimensionando e desenhando peças através da utilização de softwares CAD e usinagem gerais do protótipo com a utilização de máquinas de usinagem convencionais como torno mecânico e fresadora. Durante a graduação também foi monitor da disciplina Laboratório de Ondas e Termodinâmica durante 2 anos. Possuo bom conhecimento em inglês, Excel, Word e Power Point. Realizou o estágio curricular obrigatório na Indústria cimenteira Mizu Cimentos liderando e atuando diretamente na manutenção preditiva com ênfase na Análise de desgastes dos moinhos, análise de vibração dos equipamentos rotativos e análise de óleo de redutores e unidades hidráulicas de toda a unidade fabril. Após a graduação o mesmo ingressou novamente na Mizu Cimentos no cargo de Engenheiro Mecânico Trainee continuando a atuação na área de manutenção preditiva citada anteriormente e expandindo o campo de atuação para o planejamento, programação e controle de grandes paradas envolvendo equipes de manutenção mecânica, elétrica/instrumentação e de produção. Durante as atividades foi solicitado transferência para unidade da Polimix Ambiental, empresa do mesmo grupo porém de atuações no mercado diferente, atuando nesta como Líder de Manutenção Mecânica coordenando, planejando e programando as atividades de manutenção e melhorias industriais.

Fernanda Monique da Silva, Instituto Federal do Ceará

Professora do Ensino Básico, Técnico e Tecnológico no Instituto Federal do Ceará. Mestra em Ciência e Engenharia de Materiais pela Universidade Federal Rural do Semi-Árido. Bacharel em Ciência e Tecnologia pela Universidade Federal Rural do Semi-Árido e Bacharel em Engenharia Mecânica.

Paulo Ricardo Queiroz, Instituto Federal do Ceará

Técnico em Mecânica Industrial pelo Centro de Educação e Tecnologias Ítalo bologna (SENAI/CETIB)- RN. Bacharel em Ciência e Tecnologia pela Universidade Federal Rural do Semi-Árido. Engenheiro Mecânico pela Universidade Federal Rural do Semi-Árido. Mestrando em Engenharia Mecânica pela UFPB. Experiência na área de Processos de fabricação: (Usinagem CNC/ Convencional/ Metalurgia do pó). Experiência na área de materiais mecânicos: (Compósitos e Ligas com efeito memória de forma). Experiência na área de manufatura aditiva- (Impressão 3d). Trabalhou como professor de nível técnico no curso de mecânica industrial nas escolhas (SENAI e CEPEP). Atualmente é professor substituto do IFCE-Campus Jaguaribe.

Isabel Cristina da Cósta Souza, Secretaria do Estado do Rio Grande do Norte

Possui graduação em Ciências Biológicas (licenciatura) pela Universidade do Estado do Rio Grande do Norte (UERN), mestrado e doutorado em Bioquímica pela Universidade Federal do Ceará (UFC). Possui experiência em pesquisa nas áreas de cultivo in vitro de tecidos vegetais, transformação genética de plantas e indução de resistência vegetal contra o ataque de fitopatógenos. Atualmente é professora da rede de ensino pública do estado do Rio Grande do Norte.

Referências

Almeida, D. F. F. D. (2012). Determinação das tensões residuais e deformações resultantes do processo de soldadura TIG através do Método dos Elementos Finitos (Doctoral dissertation, Faculdade de Ciências e Tecnologia).

Alves Filho, A. (2018). Elementos Finitos – A base da tecnologia CAE. Ed. Saraiva.

Ansys® Academic (2020). (Research Mechanical, 2020 R1). [Software]. Canonsburg City, PA, EUA. Retrieved 20 Maio, 2020, from https://www.ansys.com/academic/free-student-products.

Askeland, D. R., & Wright, W. J. (2019). Ciência e Engenharia dos Materiais. Ed. Cengage.

Bathe, K. J. (2006). Finite element procedures. Ed. Klaus-Jurgen Bathe.

Danis, M., Lacoste, E., & Danis, Y. (2013). Numerical definition of an equivalent GTAW heat source. Journal of Materials Processing Technology, 213, 1241–1248.

Flint, T. F., Francis, J. A., Smith, M. C., & Balakrishnan, J. (2017). Extension of the double-ellipsoidal heat source model to narrow-groove and keyhole weld configurations. Journal of Materials Processing Tech., 246, 123–135.

Goldak, A. J., (2005). Computational welding mechanics. Ed. Canada: Springer.

Gomes, H. C. (2013). Método dos elementos finitos com fronteiras imersas aplicado a problemas de dinâmica dos fluidos e interação fluido-estrutura (Doctoral dissertation, Universidade de São Paulo).

He, X., Gu, F., & Ball, A. (2014). A review of numerical analysis of friction stir welding. Progress in Materials Science, 65, 1–66.

Kubiak, M., & Vaško, M. (2017). Numerical estimation of the shape of weld and heat affected zone in laser-arc hybrid welded joints. Procedia Engineering, 177, 114–120.

Lai, J. K.L., Lo, K.H., Shek, C.H., (2012). Stainless steel an introduction and their recent developments. Ed. Brussels: Bentham Books.

Lippold, J.C., Kotecki, D.J., (2005). Welding metallurgy and weldability of stainless steels. Ed. New Jersey.

Malekan, M., Khosravi, A., & Cimini, C. A. (2019). Deformation and fracture of cylindrical tubes under detonation loading: A review of numerical and experimental analyses. International Journal of Pressure Vessels and Piping, 173, 114–132.

Mantegazini, I., & Romero, O. (2019). Analysis of the flow in horizontal injector wells with profile equalization completion. Research, Society and Development, 8(9), e50891327.

Marques, D. M. M. (2012). Estudo do contato entre sólidos metálicos por meio de simulações de dinâmica molecular (Doctoral dissertation, Universidade de São Paulo).

Moran, M. J., & Shapiro, H. N. (2012). Princípios de Termodinâmica para Engenharia. Ed. LTC.

Morgon, N. H., & Custodio, R. (1995). Teoria do funcional de densidade. Química Nova, 18(1), 44-55.

Nart, E., & Celik, Y. (2013). A practical approach for simulating submerged arc welding process using FE method. JCSR, 84, 62–71.

Nunes, E. B., Batista, H. J., Barreto, A. S., & Motta, M. F. (2012). Influência da Energia de Soldagem na Microestrutura e na Microdureza de Revestimentos de Aço Inoxidável Duplex. Soldagem & Inspeção, 17, 114–122.

Nunes, E. B., Necy, F., Junior, A., Farias, J. P., Ferreira, H., Abreu, G., Silva, C. C., Motta, M. F. (2011). Efeito da Energia de Soldagem sobre a Microestrutura e Propriedades Mecânicas da Zona Afetada pelo Calor de Juntas de Aço Inoxidável Duplex. Soldagem & Inspeção, 16(3), 223–231.

Ooi, S. W., Garnham, J. E., & Ramjaun, T. I. (2014). Review: Low transformation temperature weld filler for tensile residual stress reduction. Journal of Materials & Design, 56, 773–781.

Pereira, A.S. et al. (2018). Metodologia da pesquisa científica. [e-book]. Santa Maria. Ed. UAB/NTE/UFSM.

Porter, D. A., Easterling, K. E., & Sherif, M. Y. (2009). Phase Transformations in Metals and Alloys. Ed. CRC Press.

Ribeiro, H., & Romero, O. (2019). Study of fluid flow in pre drilled liners in producing horizontal wells. Research, Society and Development, 8(10), e248101362.

Shitsuka, R. (2005). Sistema de informação: um enfoque computacional. Rio de Janeiro. Ed. Ciência Moderna.

Singh, G., Saxena, R. K., Pandey, S. (2020). An examination of mechanical properties of dissimilar AISI 304 stainless steel and copper weldment obtained using GTAW. Materials Today: Proceedings, (xxxx).

Song, C., Tat, E., & Natarajan, S. (2018). A review of the scaled boundary finite element method for two-dimensional linear elastic fracture mechanics. Engineering Fracture Mechanics, 187, 45–73.

Stoppe, A., Neto, J., & Santos, K. (2020). Development of a fixed bed solar dryer: experimental study and CFD simulation. Research, Society and Development, 9(3), e123932667.

Ueda, Y., Murakawa, H., & Ma, N. (2012). Welding deformation and residual stress prevention. Ed. Elsevier.

Venkateswarlu, K., Kumar, P. N., & Ravikumar, P. S. (2018). Finite Element Simulation of Temperature Distribution, Distortion and Residual Stresses of Dissimilar Welded Joints. Materials Today: Proceedings, 5(5), 11933–11940.

Zhou, H., Zhang, Q., Yi, B., & Wang, J. (2020). Hardness prediction based on microstructure evolution and residual stress evaluation during high tensile thick plate butt welding. International Journal of Naval Architecture and Ocean Engineering, 12, 146–156.

Zhu, X. K., & Chao, Y. J. (2002). Effects of temperature-dependent material properties on welding simulation. Computers & Structures, 80, 967–976.

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Publicado

28/04/2020

Como Citar

MELO, R. L. F.; MAIA, A. da S.; ROCHA JUNIOR, D. da; CARVALHO, A. J. R.; SILVA, F. M. da; QUEIROZ, P. R.; SOUZA, I. C. da C. Obtenção numérica do perfil térmico durante passagem de fonte de calor nos materiais AISI 410, 304L e 430. Research, Society and Development, [S. l.], v. 9, n. 7, p. e63973884, 2020. DOI: 10.33448/rsd-v9i7.3884. Disponível em: https://rsdjournal.org/index.php/rsd/article/view/3884. Acesso em: 15 jan. 2025.

Edição

v. 9 n. 7

Seção

Engenharias

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