A análise estrutural de máquinas de pátio pelo método dos elementos finitos (FEM) é uma ferramenta importante na promoção da integridade estrutural do ativo. Ela pode ser aplicada, por exemplo, para verificar eventuais falhas de projeto, investigar fenômenos não previstos/desconhecidos e fornecer suporte técnico para o planejamento de manutenções.

Para entender mais sobre esse método aplicado em máquinas de pátio de grande porte para manuseio de granéis, conheça um caso de sucesso da KOT Engenharia neste artigo. E, para rever os conceitos básicos de FEM, confira o artigo: Entenda o Método dos Elementos Finitos.

Análise estrutural de recuperadora de minério

A KOT realizou a validação estrutural, pelo método de elementos finitos, de uma recuperadora de roda de caçambas, com massa aproximada de 1.800 toneladas e capacidade de processo de aproximadamente 11.000 toneladas/hora. Ela é um dos ativos responsáveis pelo manuseio de minério de ferro (sinter e pellet feed) em uma planta de um cliente.

O trabalho de análise pelo método de elementos finitos inicia-se com a modelagem computacional do ativo em um software CAE (Computer Aided Engineering). No ambiente do software, é possível gerar um modelo tridimensional, reproduzindo a geometria do ativo com precisão. A Figura 1, a seguir, apresenta o modelo gerado da Recuperadora e sua divisão de componentes.

Já a Figura 2 nos traz uma representação diferente, indicando os elementos de casca e de barra utilizados na elaboração desse modelo.

Máquinas de pátio desse tipo trabalham sob altas taxas de carga, oriundas do peso próprio do equipamento, cargas devidas ao vento, bem como dos carregamentos de operação. A análise utilizando o FEM permite discretizar e aplicar esses carregamentos sobre o arranjo estrutural do equipamento. A partir dos carregamentos aplicados, são elaboradas as análises estática, de fadiga, de flambagem, de ligações, de estabilidade e modal. Os resultados são interpretados conforme os critérios estabelecidos por normas.

Na análise estática da recuperadora em questão foram adotados critérios normativos específicos para os elementos sob diferentes envelopes de tensão e índices de utilização (IU) para cada combinação de carregamento. Na análise dos elementos de barra, não foram encontrados índices de utilização acima do admissível. Na análise dos elementos de casca, observou-se que, em determinadas regiões da contralança, foram obtidos IUs da estrutura que ultrapassam valores normativos , conforme Figura 3.

Na análise de fadiga, foi utilizada a metodologia de avaliação normativa para uma vida útil de projeto e ciclos de carga definidos. Nesta etapa, foi considerado que o equipamento carregado com minério estava submetido a movimentações de operação, tais como basculamento, translação e rotação. Como resultado, observou-se regiões com máximos IUs dentro do admissível, na região do portal da máquina, conforme Figura 4.

Na análise de flambagem local das chapas principais da recuperadora de minério foram verificadas as solicitações admissíveis conforme os critérios estabelecidos. Estas regiões são tipicamente solicitadas por cargas compressivas, o que pode gerar o efeito de falha local elástica de determinados componentes. Nesta recuperadora, as regiões foram analisadas e verificadas considerando as tensões, parâmetros do material e condições de contorno. Os resultados encontrados estavam dentro do aceitável.

As ligações foram analisadas de acordo com critérios normativos preestabelecidos pelo método analítico. Ressalta-se a importância das verificações das ligações, tendo em vista os tipos de ligação existentes no equipamento, sejam rígidas, flexíveis ou pinadas. Os resultados calculados também estavam abaixo dos índices de utilização admissível. Algumas das ligações estão representadas na Figura 5.

Na análise modal, avaliou-se a possibilidade de ressonância da estrutura, considerando as fontes excitadoras, tais como vento e elementos rotativos do equipamento. Na análise, foram  verificadas as frequências de risco para diferentes modos de vibração natural do equipamento. Em um dos modos, identificou-se – com advertência – o risco de ressonância, oriundo de alguns elementos rotativos da correia transportadora do equipamento. Um dos modos de vibração natural do equipamento pode ser visualizado na Figura 6.

Por fim, foram indicados pontos de atenção e a necessidade de inspeções durante a manutenção do ativo. Apesar de alguns índices de utilização estarem acima do admissível, não foi necessário propor reforços para a estrutura.

Ao solucionar problemas de engenharia pelo método de elementos finitos é necessário conhecer as normas que estabelecem os critérios adequados para cada tipo de análise, bem como definir de forma adequada as condições de contorno, restrições, massa e posição de componentes não modelados. Além disso, é preciso mensurar e analisar as tensões às quais o equipamento está submetido ao longo da sua vida útil. Por meio desse método de cálculo, é promovido o desenvolvimento e a avaliação com alta confiabilidade principalmente quanto à perspectiva da integridade estrutural do ativo.

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