Projeto do Subsistema de Estruturas

Materiais

A escolha dos materiais da estrutura de um projeto perpassa por diversos critérios específicos relacionados aos requisitos levantados pela equipe. Portanto, para o sucesso do projeto é necessário que estes materiais estejam em consonância com estas exigências.

Definição de critérios de avaliação dos materiais

Os critérios utilizados para a escolha dos materiais foram: custo benefício, esforço, know-how, tempo, viabilidade e gasto.

A decisão de tais critérios baseou-se nas restrições do projeto como o tempo reduzido de 3 meses de realização, as habilidades de cada componente do grupo e, principalmente, o gasto, cujo peso criterial é o maior.

Decisões	Peso	Escala
Custo benefício	1	Inviável	0
Esforço	-1	Muito pouco	1
Know-how	2	Pouco	2
Tempo	-2	Moderado	3
Viabilidade	3	Considerável	4
Gasto	-3	Alto	5

Tabela 1: Requisitos de decisão

Critério	Alternativas	Custo-benefício	Esforço	Know-how	Tempo	Viabilidade	Gasto	Total
Animais Contemplados Simultaneamente	1	3	4	2	3	4	3	0
	2 ou +	5	5	4	5	2	5	-11
Reservatórios	policarbonato	3	3	3	4	4	3	1
	acrílico	3	3	3	4	0	3	1
	PVC	5	4	4	3	0	2	-3
	Polipropileno	5	3	3	4	5	2	9
Estrutura Externa	alumínio	3	4	3	4	2	4	-9
	aço	4	4	3	4	4	3	1
	filamento 3D	2	5	2	5	2	5	-18
Hélice helicoidal	Projetada (3D)	4	2	1	5	3	5	-12
	Adquirida	2	2	3	3	4	3	3
Suporte de reservatórios	ACM	2	3	2	4	1	1	-5
	Aço	4	2	4	3	4	3	7

Tabela 2: Matriz de decisão

Lista e definição de materiais

Estrutura	Material
Externa	Aço
Reservatórios	Polipropileno
Isolamento hermético	Silicone
Separação de componentes	Aço
Tubo	Filamento 3D
Recipientes	Aço

Tabela 3: Materiais escolhidos

Portanto, as normas técnicas que abragem a viabilidade de tal produto impedem o uso de materiais como PVC e policarbonato na manufatura do reservatório de alimento.

Finalmente, todos os requisitos apontaram para o mesmo material externo da estrutura: o aço.

Ao decorrer do desenvolvimento do projeto constatou-se que apesar do Polipropileno ser considerado o melhor material para fabricação dos reservatórios este se tornava inviável do ponto de vista financeiro. De comum acordou entre equipe e, considerando se tratar de um protótipo e não produto final, optou-se pela manufatura dos reservatórios de água e comida em filamento PETG.

Tal decisão baseou-se no fator financeiro, o custo foi consideravelmente mais baixo do que os outros materiais averiguados pela equipe, e na demanda de tempo de produção das peças que seria igualmente menor. Portanto, para um primeiro protótipo determinou-se que a escolha de filamento PETG seria a mais segura para o projeto.

Componentes adquiridos

• Hélice Helicoidal:

Imagem 1: Hélice Helicoidal.

A decisão do tamanho e formato da hélice envolveu a integração de estrutura e eletrônica. Determinou-se que esta hélice encaixaria com o motor de passo escolhido pela equipe de eletrônica. E, do ponto de vista estrutural, atestou-se que esta possui dimensões suficientes para alcançar o requisito de controle de mecanismo.

Finalmente, a decisão de compra partiu da comparação com a fabricação em filamento 3D. Foi avaliado que essa opção custaria um valor consideravelmente mais alto e despenderia mais tempo, o que impossibilitaria testar o funcionamento do dispenser.

Análise estrutural

A análise estrutural foi feita apenas no apoio de ambos os reservatórios, pois esta seria a parte mais requerida de toda a carga. Para tal, foi calculada a carga máxima que os suportes dos reservatórios teria que suportar. Considerando o volume dos reservatórios definido a partir das normas de conservação de alimento e proporção da estrutura eterna. Definiu-se:

• O cálculo do peso equivalente ao reservatório de comida: Foi avaliado um exemplo padrão de ração de gato, em que foi constatado, por meio de testes experimentais, que 3kg de ração ocupava um espaço de, em média, 5 litros. Da mesma forma, foi observado que, para uma ração de cachorro de porte grande, 2kg ocuparia 4L. Mas, como o alimentador não poderia ser utilizado para ração de cães acima de médio porte, foi extrapolata uma média de 0.5 kg por litro. Como o reservatório de comida projetado possui pouco mais de 7 litros, e, como a ração que mais ocuparia o espaço, por ser menor, seria a de gato, a carga máxima considerada foi de 4.5kg, ou seja, 44.1N.

• O cálculo do peso equivalente ao reservatório de água: Para este reservatório foi feita apenas uma simples multiplicação da densidade da água pelo volume máximo do reservatório, que mediu cerca de 8 litros. Dessa forma foi considerada a carga máxima de 8kg para análise, assim, 78.4N.

Dessa forma, foi feito um diagrama de corpo livre para melhor visualização da aplicação de carga:

E, considerando a chapa de apoio mostrada a seguir, foram feitas as simulações de tensão equivalente e deformação total.

Análises Numéricas

Para a análise numérica foi utilizado o software Ansys-Static Structure. Para tal, foi feita uma placa com as mesmas medidas da estrutura do alimentador e a carga dos reservatórios foi aplicada em suas respectivas localizações: o reservatório de comida no furo no qual ele é apoiado, simplificado como uma força concentrada em suas laterais; e o reservatório de água foi simplificado para um quadrado de massa aproximada ao reservatório real apoiado integralmente na placa.

Caso 1

A priori, a estrutura da placa inferior havia sido pensada para ser apenas engastada em uma lateral e na parede traseira, e livre na lateral do reservatório de água. Porém, como pode se encontrar abaixo, as deflexões resultantes na região livre e o esforço solicitado na região de engaste foram consideradas inconsistentes com os requisitos de segurança do projeto.

Imagem 4: Deformação total do caso 1.

Imagem 5: Tensão Equivalente do caso 1.

Caso 2

Posteriormente, considerou-se que a placa de sustentação dos reservatórios deveria se estender de ponta a ponta da estrutura, de forma a ser engastada nas três extremidades: as duas laterais e a traseira.

Repetiu-se as análises estrturais para este caso e a partir das imagens abaixo concluiu-se que apesar de haver melhora na solicitação de esforços nos engantes a deformação total não estava satisfatória na região central da placa.

Imagem 6: Deformação total do caso 2.

Imagem 7: Tensão Equivalente do caso 2.

Caso 3

O terceiro caso foi estudado, em que a placa continuaria engastada nas três extremidades com um adicional de um apoio central para impedir grandes deformações. Como visto abaixo percebe-se que a adição de tal componente neutralizou a deflexão da região central da placa.

Imagem 8: Deformação total do caso 3.

Imagem 9: Tensão Equivalente do caso 3.

Caso 4

Finalmente, no quarto caso a única alteração da estrutura foi nas medidas do furo retangular da placa, devido às características de vazão de comida. Em sua análise percebe-se apenas que os esforços solicitados na estrutura diminuíram consideravelmente. E assim, portanto, este foi o modelo final decidido para o projeto.

Imagem 10: Tensão Equivalente do caso 4.

Análises de torque do motor

O cálculo do torque de um motor de passo é um processo essencial para garantir que o sistema seja dimensionado corretamente, atendendo às demandas específicas de cada aplicação. Esse processo envolve a análise da inércia total do sistema, que inclui as contribuições de componentes como a carga, engrenagens, eixos e o próprio motor. Além disso, considera-se a variação de velocidade angular e o tempo necessário para que o motor alcance a velocidade desejada, conforme descrito em Leadshine (2024).

Para garantir que a ração caia de forma precisa, é necessário que o disco realize uma rotação de 720º a cada alimentação. Para isso, foi escolhido o motor de passos 28BYJ-48. Esse motor conta com uma caixa de redução de 1/64 e, para completar uma volta de 360º, exige 2048 passos (o que equivale a 0,176º por passo).

1. Dados de Entrada

Parâmetro	Valor	Unidade
Massa da ração	20	g
Diâmetro externo (D1)	26	mm
Diâmetro interno (D2)	22	mm
Raio da hélice	10.5	mm
Altura da hélice	180	mm
Velocidade angular inicial (ω0)	0	rad/s
Velocidade angular final (ω1)	2π	rad/s
Frequência	100	Hz
Constante de escala (Ks)	2	-
Densidade do PLA	1240	kg/m³

2. Cálculo do volume e da massa da hélice:

A hélice é considerada um cilindro, e seu volume é dado por:

Onde:

Substituindo:

Agora, calculamos a massa da hélice utilizando a densidade.

3. Cálculo da massa total

A massa total \(m_{\text{total}}\) é dada pela soma da massa da ração e da massa da hélice:

4. Cálculo da inércia:

A fórmula para a inércia é:

Calculando os diãmetros:

Substituindo na fórmula da inércia:

5. Cálculo do torque de aceleração \(T_a\):

O tempo \(t\) é dado por:

A diferença de velocidades angulares:

Usando \(J_T = J_L\):

O torque de aceleração é:

6. Cálculo do torque total \(T_T\):

Se o torque de carga \(T_L = 0\):

7. Cálculo do torque do motor \(T_M\):

O torque do motor é dado por:

8. Conversão para \(\text{mN} \cdot \text{m}\):

Para converter para \(\text{mN} \cdot \text{m}\), multiplicamos por 1000:

9. Comparação com o motor:

Descrição	Valor do Torque	Unidade
Torque calculado para girar a hélice	17.8	mN.m
Torque do motor	34	mN.m

Versionamento

Versão	Data	Modificação	Autor
1.0	12/11/2024	Criação do documento	Geovanna
1.1	28/11/2024	Análise Estrutural e Conclusão do artefato	Geovanna e Isa
1.2	14/01/2024	Análise de Torque e Conclusão do artefato	Gabriele
1.3	30/11/2024	Ajustes e Conclusão do artefato	Isa