Projeto do Subsistema de Estruturas

Materiais

Definição de critérios de avaliação dos materiais

A seleção dos materiais para o projeto das estruturas é um dos aspectos mais importantes, pois impacta diretamente a performance e o custo do produto final. Para garantir uma escolha bem fundamentada, foram definidos critérios específicos de avaliação. Cada critério foi atribuído a uma pontuação, que reflete sua relevância no processo de tomada de decisão. Além disso, cada critério recebeu um peso que auxiliará na comparação entre as alternativas de materiais disponíveis.

Critério	Descrição	Peso
Custo	Viabilidade econômica do material para a aplicação.	3
Propriedades Mecânicas	Resistência do material sob cargas	1
Peso	Relação massa/volume	1
Processabilidade	Facilidade de transformação do material em peças ou componentes, incluindo custos e tempo.	3
Disponibilidade	Facilidade de obtenção do material no mercado, incluindo tempo de entrega	3

Tabela 1 - Critérios para cada requisito de estruturas
Fonte: Autores.

Definição das notas e avaliação dos materiais

Para facilitar a avaliação e comparação entre os diferentes materiais, foi adotada uma escala de notas variando de 0 a 5

Nota	Descrição
0	Inviável
1	Muito Ruim
2	Ruim
3	Razoável
4	Bom
5	Excelente

Tabela 2 - Descrição de notas
Fonte: Autores.

Com base nessa escala, as alternativas de materiais para cada seção do subsistema de estruturas foram avaliadas.

Seção	Alternativas	Custo	Propriedades Mecânicas	Peso	Processabilidade	Disponibilidade	Total
Estrutura
	Alumínio	5	4	4	4	5	50
	Aço	2	5	3	3	3	32
	Madeira	4	2	5	5	4	46
Revestimento Externo
	Alumínio	3	5	2	3	3	34
	PVC	4	3	3	4	4	42
	ACM	5	3	3	4	5	49
	Madeira	4	3	4	4	4	43

Tabela 3 - Tabela de decisão de materiais
Fonte: Autores.

Lista e definição de materiais

Após a avaliação das alternativas e o cálculo das pontuações totais, foram selecionados os materiais que atendem melhor aos requisitos do projeto. A tabela a seguir apresenta uma lista com a descrição de cada material escolhido e as justificativas para sua seleção:

Material	Descrição	Justificativa
Alumínio	Perfil estrutural de aluminio	Material de alta resistência e leve. Disponibilidade do material na faculdade.
Aço inox	Tubos capilares para transporte de líquido	Material rígido e não sofre oxidação. Baixo custo e facil acessibilidade.
Aço carbono	Parafusos e porcas martelo	Material de alta resistência. Baixo custo e facil acessibilidade.
ACM	Placas de revestimento	Material leve e resistente. Disponibilidade do material na faculdade.
Borracha silicone	Tubos para transporte de líquido	Adequado para transporte de alimentos líquidos. Baixo custo e facil acessibilidade.

Tabela 4 - Lista de materiais selecionados
Fonte: Autores.

Análise Estrutural Preliminar

Foi realizada uma análise estrutural preliminar do projeto do "Dink Mixer", levando em consideração os materiais escolhidos para a construção da estrutura e os requisitos do sistema. O objetivo dessa análise inicial foi avaliar as condições de operação do equipamento, identificando as cargas atuantes e os potenciais pontos críticos para garantir a segurança e a eficiência da máquina.

Durante a avaliação, constatou-se que as cargas aplicadas sobre a estrutura são relativamente baixas, em função da natureza do sistema. Além disso, ao priorizar o uso de materiais já disponíveis para a equipe, identificou-se que a estrutura projetada ficou superdimensionada, o que elimina qualquer risco de falhas mecânicas durante a operação, garantindo a segurança e a robustez do equipamento.

Simulação numérica

Devido à natureza dos esforços atuantes na estrutura, foi realizada a simulação apenas do componente estrutural mais crítico, a placa destinada ao apoio das garrafas de bebida, considerando que os demais componentes estariam sujeitos a esforços insignificantes.

Para as condições de contorno da estrutura, considerou-se o contato das laterais que serão conectadas às paredes do equipamento e irão suportar as garrafas com bebidas. Já para as condições de carregamento, considerou-se a aceleração da gravidade e o peso das garrafas cheias, simulando o estado crítico de carregamento. O carregamento considerado foi de 58.84 N.

Figura 1 - Deformação da placa [m]
Fonte: Autores.

Figura 1 - Tensão normal na camada de alumínio
Fonte: Autores.

Figura 1 - Tensão normal na camada de polietileno
Fonte: Autores.

Observou-se que, mesmo sob carregamento crítico, a estrutura mantém sua integridade com uma elevada margem de segurança.

Definição da bomba para transporte de líquidos

O dimensionamento das bombas para transporte de líquidos foi realizada calculando a pressão hidráulica necessária para o funcionamento do aparelho. A potência hidráulica é a quantidade de energia por unidade de tempo que um fluido transporta em um sistema hidráulico, como em tubulações, bombas ou turbinas. É a grandeza associada ao movimento do fluido devido à sua vazão, pressão e densidade. Ela pode ser calculada com base nos parâmetros do escoamento. A potência hidráulica ($P_h$) pode ser calculada por:

$$ P_h = \rho \cdot g \cdot Q \cdot H $$

Onde $\rho$, g, Q e H são a densidade, aceleração gravitacional, vazão volumétrica e altura manométrica de líquido, respectivamente.

A altura manométrica total representa a energia por unidade de peso necessária para transportar o fluido do reservatório de sucção ao reservatório de descarga, considerando uma determinada vazão. Essa energia é fornecida pela bomba, sendo um parâmetro essencial para sua seleção. Vale destacar que, em sistemas de bombeamento, a vazão é a condição requerida, enquanto a altura manométrica total resulta das características da instalação. A altura manométrica total do sistema (H) pode ser calculada por:

$$ H = \frac{\Delta P}{\gamma} \cdot 10 + \frac{Ve^2 - Vi^2}{2g} + h + H_{p} $$

Nos quais $\Delta P$ representa a diferença de pressão na fronteira, $\gamma$, a peso específico, $Ve$, velocidade de saída, $Vi$, velocidade de entrada, $h$, altura geométrica e $Hp$, perda de carga. Como ambas as saídas das tubulações estão expostas à mesma pressão (pressão atmosférica), podemos assumir que $\Delta P = 0$. Além disso, como o fluido na garrafa reservatória está em repouso, a velocidade na entrada pode ser considerada igual a zero.

A perda de carga foi calculada a partir do método de Moody-Rouse, definido por:

$$ Hp = f \frac{L \cdot v^2}{D \cdot 2g} $$

Onde L representa o comprimento do duto, D, o diâmetro interno e f, o coeficiente de atrito, obtido pelo Diagrama de Moody. Para utilizar o diagrama, deve-se caracterizar o escoamento como laminar ou turbulento, a partir no número de Reynolds ($Re = \rho u D/\mu$), e definir a rugosidade do tubo baseado no material.

Aplicando

A fim de caracterizar o escomento, admitiu-se um diâmetro interno de 1mm e vazão 10mL/s. A velocidade do fluxo foi calculada por meio da seguinte relação:

$$ v = \frac{Q}{A} $$

Considerando água como fluido, com a velocidade e diâmetro obteve-se $Re$<2000, podendo considerar, deste modo, um escoamento laminar. Com base nisso, é possível empregar a seguinte fórmula para calcular o coeficiente de atrito (f).

$$ f = 64/Re $$

Ao substituir o valor de $f$ nas equações mencionadas anteriormente, foi determinado que a potência hidráulica mínima necessária para o funcionamento da bomba seria de aproximadamente 2,25 W. Todavia, considerando uma eficiência de 50% para a bomba d'água, a potência consumida mínima real pode ser calculada utilizando a seguinte fórmula:

$$ P_\text{consumida} = \frac{P_\text{hidráulica}}{\eta} $$

Portanto, a potência mínima da bomba para este projeto deve ser superior a 5,0 W.

Referências e normas utilizadas

• KRAJEWSKI, Lee J.; RITZMAN, Larry P.; MALHOTRA, Manoj K. Administração de produção e operações. 8. ed. São Paulo: Pearson, 2012. xiv, 615 p. ISBN 9788576051725.

• ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. ABNT NBR 08403: Aplicação de linhas em desenhos - Tipos de linhas - Larguras das linhas Rio de Janeiro, 1984.

• ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. ABNT NBR 10067 - Princípios Gerais de Representação em Desenho Técnico, 1995

• ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. ABNT NBR 10068 - Folha de Desenho - Leiaute e Dimensões, 1987

• ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. ABNT NBR 10126 - Cotagem em Desenho Técnico, 1987

• WHITE, Frank M. Mecânica dos fluidos. 6.ed. Rio de Janeiro: McGraw-Hill, 2010

Versionamento

Versão	Data	Modificação	Autor
0.1	24/11/2024	Criação do documento	Danylo Nunes - Luiz Garcia