ANÁLISE ESTRUTURAL DO CIRCUITO DE BOMBA CAPILAR DE PEQUENA ESCALA
S. Carneiro (1), A. A. P. Sarda (1), A. Lenzi (1) e E. Bazzo (1).
(1) Departamento de Engenharia Mecânica, CTC, Universidade Federal de Santa Catarina, Caixa Postal 476 - Campus Universitário CEP: 88040-900 - Florianópolis - SC - Brasil.
Palavras-chave: Bomba Capilar, Análise Estrutural.
Resumo
Uma das formas utilizadas atualmente para se fazer o controle térmico em dispositivos espaciais é o uso de bombas capilares (CPL). Estes dispositivos utilizam a força de pressão capilar para bombear o fluido térmico pelo circuito. Para se realizar um experimento em condições de microgravidade está em andamento o projeto franco-brasileiro de um micro satélite. Para viabilizar o projeto da bomba capilar é necessário se fazer análise estrutural e determinar as dimensões adequadas às condições de lançamento e vôo.
Na análise estrutural foi utilizado o código computacional ANSYS 5.3 versão acadêmica. Os cálculos estão sendo realizados no LVA - Laboratório de Vibrações e Acústica da UFSC como parte das atividades de doutoramento do aluno Alexandre Augusto Pescador Sarda, sob a coordenação do Prof. Arcanjo Lenzi. Análise e discussão dos resultados está sendo realizada com a participação da equipe técnica do LabCET - Laboratório de Combustão e Engenharia de Sistemas Térmicos
Para se analisar o CPL utilizou-se um elemento de placa SHELL 93 da biblioteca do ANSYS. Este elemento é representado por oito nós com seis graus de liberdade cada, sendo três de rotação e três de translação. As funções de interpolação são bi-quadráticas representando elementos que suportam grandes deflexões/deformações e garantindo maior confiabilidade aos resultados obtidos.
Juntamente com o CPL e utilizando a mesma estrutura está outro experimento chamado CEBEMG. Por isso este será considerado na análise estrutural.
Na análise estrutural do CPL é preciso avaliar as condições de aceleração estática e aceleração dinâmica (vibrações). Até o presente momento foram realizadas as simulações estáticas de acordo com especificações do INPE (Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais).
O carregamento considerado para análise estrutural foi definido como sendo o de teste de qualificação do documento FBM-TS-S-00-7033-C/1 ENVIRONMENTAL SPECIFICATION para o quarto estágio. Isto porque este é o maior carregamento estático atuando no experimento. Como definido a aceleração longitudinal é de 115m/s2 e a lateral de 15 m/s2.
As condições de contorno a serem definidas são os pontos de fixação da estrutura do CPL à estrutura do satélite e aceleração conforme definida acima. Para uma análise inicial fixaram-se os quatro vértices da placa absorvedora e os da placa irradiadora. Futuramente serão acrescentados mais pontos de fixação na estrutura da caixa.
Primeiramente simulou-se a estrutura com as placas absorvedora e irradiadora com espessura de 1 mm e a caixa com espessura de 2 mm. Os resultados geraram tensões altas para as condições de limite de escoamento do alumínio 5052-H38(e) (maior limite de escoamento para esta liga devido ao grau de encruamento-se=221MPa). Assim aumentou-se a espessura das placas para também 2 mm, reduzindo sensivelmente as tensões atuantes nas placas. As maiores tensões encontradas estão nas regiões de contato entre as placas absorvedora/irradiadora e a caixa estrutural.
Com placa irradiadora e absorvedora de espessura de 2 mm as tensões máximas geradas são de aproximadamente 84Mpa para análise considerando a presença do CEBENG. Assim sendo, este é um resultado dentro da faixa admissível para o limite de escoamento do alumínio 5052-H38(e).
A seguir mostra-se o modelo analisado no ANSYS:
Com o uso das placas de 2 mm chegou-se a tensões máximas abaixo do limite de escoamento tornando estes resultados válidos para o caso estático.
Como possibilidade de modificações para otimização da estrutura pode-se diminuir a espessura das placas absorvedora e irradiadora para 1,5 mm devido a grande diferença entre as tensões máximas e a tensão admissível, sendo que esta condição ainda não foi testada. Pode-se, ainda, mudar a liga de alumínio a fim de garantir maiores níveis de tensões admissíveis. Uma sugestão seria a liga 2014-T6 com limite de escoamento de aproximadamente 400MPa a temperatura ambiente. Para variações de temperatura da ordem de -80°C a +100°C (faixa de temperatura encontrada em literatura) tem-se valores não garantidos (pode não ser exato de acordo produto particular e espessura) da ordem de 450MPa (<T) a 395MPa (>T).
Agradecimentos: Os autores agradecem ao LVA (Laboratório de vibrações e Acústica) pelo imprescindível apoio técnico ao Laboratório de Combustão e Engenharia de Sistemas Térmicos do Departamento de Engenharia Mecânica da UFSC.
Referências:
ANSYS User's Manual for Revision 5.3 - Elements, Swanson Analysis, Inc. 1995, pp.465-472
ANSYS User's Manual for Revision 5.3 - Elements, Swanson Analysis, Inc. 1995, pp.293-308
ANSYS User's Manual for Revision 5.3 - Theory, Swanson Analysis, Inc. 1995,