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Investigação
Investigação do Departamento de Engenharia Mecânica
Grupo de investigação da UA desenvolve modelos matemáticos para os materiais do futuro
O investigador Tiago Grilo
Tiago Jordão Grilo, aluno de doutoramento do Departamento de Engenharia Mecânica da UA e membro do grupo de investigação GRIDS, é o responsável pelo desenvolvimento de modelos constitutivos de comportamento mecânico adequados à modelação das propriedades complexas de materiais avançados, tais como aços de alta resistência e ligas de alumínio. Esses materiais são utilizados, por exemplo, em larga escala nas indústrias aeronáuticas, aeroespacial e automóvel.

“Os modelos desenvolvidos são teoricamente mais consistentes e permitem a descrição do comportamento mecânico de uma gama mais ampla de materiais [desde materiais metálicos como ligas de alumínio e aços de alto desempenho, a materiais poliméricos] do que os modelos de material usualmente usados na modelação de materiais metálicos”, aponta Tiago Grilo. Relativamente aos modelos de material usados atualmente na modelação de materiais poliméricos, compara o investigador, “os modelos desenvolvidos permitem uma melhor descrição da anisotropia plástica e do endurecimento”.

A conformação plástica de chapas metálicas (estampagem) é um processo de produção que permite a produção de uma larga variedade de produtos com elevada complexidade geométrica. A crescente competitividade a nível internacional tem fomentado o crescimento do uso de ferramentas de Engenharia Auxiliada por Computador (Computer Aided Engineering – CAE) e da aplicação de materiais avançados e inovadores que apresentam, por vezes, um comportamento mecânico altamente complexo e de difícil caracterização.

Assim, os modelos desenvolvidos na UA, aponta Tiago Grilo, “poderão ser aplicados a todas as indústrias onde seja necessária uma correta modelação destes tipos de materiais, incluindo assim as indústrias aeronáuticas, aeroespacial e automóvel”. De um modo geral “este tipo de modelos está mais relacionado com a indústria automóvel, devido ao uso de um elevado número de componentes metálicos na construção de automóveis”.

O trabalho de investigação realizado por Tiago Grilo e financiado por uma bolsa de doutoramento da FCT, consiste - de forma muito sumária - no desenvolvimento e implementação, em códigos comerciais de simulação numérica pelo MEF, de modelos constitutivos adequados à modelação das propriedades complexas de materiais avançados, tais como aços de alta resistência e ligas de alumínio.

Para ajudar nessa tarefa, o uso de ferramentas CAE, tais como o Método dos Elementos Finitos (MEF), tem como principal objetivo analisar de forma virtual se, por exemplo, as peças a serem produzidas cumprem as tolerâncias dimensionais estabelecidas ou, por outro lado, se estas garantem a performance estrutural requerida para o desempenho das suas funções. Ainda mais importante, essas ferramentas numéricas permitem ainda auxiliar a fase de projecto de novos produtos bem como das ferramentas usadas na sua produção.

Redução de custos na fase do projeto

Um factor determinante para uma correta simulação do processo de estampagem é o modelo constitutivo do material. Um modelo constitutivo consiste em expressões matemáticas que descrevem o comportamento físico desse mesmo material. Assim, o uso de um modelo constitutivo adequado permitirá a correta simulação do processo de conformação e, por exemplo, a correta previsão de defeitos na peça final. Além disso, permite também analisar o desenvolvimento das propriedades do material, possibilitando uma posterior avaliação da performance estrutural da peça.

Em resumo, a aplicação industrial dos modelos constitutivos desenvolvidos, em conjunto com códigos de simulação numérica pelo MEF, permite uma significativa redução de custos na fase de projeto dos produtos e das ferramentas para a sua produção.

Esta redução de custos é possível pela substituição dos morosos e dispendiosos ciclos de tentativa-erro convencionais por ciclos virtuais (através de simulação numérica) na determinação dos parâmetros do processo e da geometria das ferramentas e da chapa inicial, bem como pela redução do número de etapas de conformação e do desperdício de matéria-prima através da otimização do processo de conformação e do projeto de peças com performance estrutural otimizada. Além da redução de custos, é de salientar que o projeto das ferramentas é mais rápido, diminuindo o tempo necessário para o lançamento de um novo produto.

De realçar ainda que o trabalho de investigação foi desenvolvido em parceria com a RWTH Aachen University, Alemanha, onde o Tiago Grilo teve a oportunidade de trabalhar durante um ano.

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