Projetando a garrafa perfeita para corrida de bicicleta: Engenharia em hidratação
- Alvaro Filho
- 29 de jul.
- 7 min de leitura
No mundo do ciclismo profissional, a atenção aos detalhes pode fazer a diferença entre a vitória e o revés — e esse princípio se estende às garrafas de água seguradas pelos ciclistas. Longe de serem simples recipientes, essas garrafas incorporam uma sofisticada interação de ergonomia, aerodinâmica e engenharia de ponta, considerações de design que, em última análise, influenciam a hidratação, o conforto do ciclista e até mesmo o desempenho em etapas extenuantes da corrida. Hoje, o desenvolvimento de produtos aparentemente comuns depende fortemente da moderna tecnologia de simulação.
Simulação de compressão de garrafas para a garrafa de corrida perfeita
A versão mais recente do Simcenter STAR-CCM+, versão 2506, traz uma inovação significativa para este domínio com os Elementos Hexagonais Lineares Aprimorados. Este aprimoramento revoluciona a eficiência da simulação para estruturas de paredes finas, como garrafas de bicicleta, proporcionando mais de três vezes a velocidade para simulações estruturais e, com isso, também proporcionando uma aceleração substancial para cenários de Interação Fluido-Estrutura (FSI). Como resultado, os engenheiros podem iterar rapidamente em seus projetos, alcançando o equilíbrio ideal de peso, flexibilidade e desempenho necessário para competições de elite, ajudando os ciclistas a se manterem hidratados sem perder o ritmo.
Projetar uma garrafa de ciclismo que se destaque em todas essas frentes exige uma abordagem meticulosa. Fatores como formato da garrafa, espessura da parede, escolha do material e design do bico impactam diretamente não apenas a experiência do usuário, mas também a capacidade de fabricação e o custo do produto. Erros nessa fase podem se tornar caros rapidamente, já que a produção de moldes avançados de extrusão e sopro pode chegar a € 10.000 ou mais por peça.
É por isso que plataformas de simulação como o Simcenter STAR-CCM+ são indispensáveis no desenvolvimento de produtos atuais. Ao modelar a resposta estrutural de uma garrafa à pressão da mão, os engenheiros garantem que cada garrafa seja leve, resistente e se encaixe perfeitamente na mão e no suporte da garrafa do ciclista. Ativando os recursos de fluido e FSI do software, os designers podem refinar ainda mais as características de fluxo, garantindo que cada aperto proporcione hidratação instantânea e sem esforço, com o mínimo de esforço, etapa após etapa.
Uma pegada firme
Uma das primeiras considerações ao projetar uma garrafa de água é a sensação que ela proporciona na mão do ciclista. A aderência é essencial — os ciclistas devem ser capazes de agarrar, apertar e devolver a garrafa ao seu suporte quase sem pensar, especialmente quando a fadiga se instala ao final de uma longa etapa. As paredes laterais precisam ser o mais flexíveis possível para permitir um aperto fácil. O fundo precisa ser mais rígido para que a garrafa retorne ao seu formato original e se encaixe perfeitamente no suporte. A parte superior da garrafa — que se conecta à tampa — deve permanecer sempre firme para evitar vazamento de fluido.
Para simular o uso no mundo real, observamos um evento típico de compressão: um ciclista comprime a garrafa em 10 mm de cada lado em apenas 0,15 segundos, mantém essa pressão por 0,2 segundos e, em seguida, a solta. (Podemos ignorar com segurança o dedo mindinho na distribuição de carga, já que, como qualquer observador atento do ciclismo notará, ele não contribui muito.) Capturar essa interação com precisão é crucial para entregar um produto com bom desempenho em condições de corrida.
O Simcenter STAR-CCM+ Structural Mechanics fornece todas as ferramentas necessárias para simular esse tipo de ação de compressão e analisar como a espessura da parede influencia a força necessária. De acordo com estudos ergonômicos e literatura publicada, a maioria dos usuários considera forças de compressão entre 10 e 20 N confortáveis durante o uso repetido, enquanto forças acima de 30 N são consideradas notavelmente duras e desconfortáveis. Para um projeto típico de garrafa de corrida, nossas simulações estruturais mostram que uma espessura de parede lateral de 0,6 mm resulta em uma força de compressão de aproximadamente 8,6 N — bem dentro dessa zona de conforto. Reduzir a espessura da parede em apenas 0,2 mm reduz a força necessária para mais da metade; aumentá-la em 0,2 mm quase a dobra. Isso destaca a importância da seleção da espessura da parede para o projeto ideal da garrafa.
Dobramento preciso com elementos hexaédricos lineares aprimorados (Hex8E)
A modelagem da deformação por flexão dessas estruturas de paredes finas requer elementos de malha apropriados. Nesse caso, malhas de elementos hexaédricos são ideais. Os novos elementos hexaédricos lineares aprimorados (Hex8E) introduzidos no Simcenter STAR-CCM+ 2506 oferecem quase a mesma qualidade de simulação de flexão que os elementos Hex20 de ordem superior, mas com um custo computacional muito menor do que os elementos Hex8 padrão. Em comparação, o uso de elementos Hex8 padrão em problemas com predominância de flexão pode levar a fortes efeitos de travamento, resultando em uma força de compressão prevista até 2,5 vezes maior do que a realidade. Os elementos Hex8E aprimorados, por outro lado, não apenas fornecem resultados precisos, mas também aceleram a simulação — três vezes mais rápido neste caso e até sete vezes mais rápido para estruturas maiores em comparação com os elementos Hex20.
Com esses avanços, os engenheiros podem explorar e otimizar eficientemente a experiência tátil da garrafa, garantindo que ela seja fácil de apertar, rebata rapidamente e mantenha sua integridade a cada viagem, ao mesmo tempo em que acelera os ciclos de desenvolvimento e minimiza erros dispendiosos de prototipagem.
Diagrama comparando espessuras com 0,6 mm Hex8 vs Hex8E vs Hex20 e, em seguida, 0,4 mm e 0,8 mm Hex8E em função do tempo, juntamente com o movimento do dedo
Tempos de resolução normalizados para simulação somente de estrutura com número variável de processos (NP)
Compreendendo o equilíbrio fluido-estrutural
Um fator particularmente crítico no design da garrafa de água é a quantidade de pressão que o ciclista precisa exercer para que a água flua. No final de uma corrida extenuante, os ciclistas do Tour de France têm pouca energia disponível, e a última coisa de que precisam é lutar com uma garrafa teimosa. É vital que as garrafas exijam o mínimo de força possível para fornecer um fluxo de água satisfatório. Isso não apenas minimiza o tempo que os ciclistas passam bebendo — tempo durante o qual seu foco é inevitavelmente desviado da estrada — como também reduz o esforço físico, permitindo que mantenham a concentração e o desempenho máximos até a linha de chegada.
Quando a garrafa é comprimida, tanto a água quanto a bolsa de ar retida em seu interior são comprimidas, resultando em um fluxo de água para fora do bico. O comportamento exato — a quantidade de água expelida para uma determinada força de compressão — depende não apenas da pressão manual aplicada, mas também da complexa relação entre a geometria do bico, a flexibilidade da parede da garrafa e a proporção de ar e água na garrafa. Essa interação entre a dinâmica estrutural e a dinâmica dos fluidos é complexa e não pode ser totalmente capturada sem uma simulação abrangente de interação fluido-estrutural (FSI) multifásica.
Uma das vantagens significativas de usar o Simcenter STAR-CCM+ para este processo é a integração perfeita da modelagem estrutural e de fluidos. Para passar de uma simulação estrutural para uma configuração completa de FSI, basta definir o domínio do fluido e adicioná-lo ao modelo estrutural previamente estabelecido. Recursos avançados como estabilização dinâmica, resíduo de tração FSI e resíduo de estabilização dinâmica garantem que as simulações permaneçam robustas e precisas, mesmo sob as cargas rápidas e transitórias experimentadas durante o uso real da garrafa. É importante ressaltar que, à medida que a pressão aumenta dentro da garrafa, ela não apenas expulsa o fluido, mas também aumenta a força de compressão necessária e causa mais deformação da estrutura plástica — tornando uma abordagem de FSI acoplada bidirecional essencial para resultados realistas.
Os resultados dessas simulações FSI, como mostrado no diagrama 4, ilustram um ponto-chave: além da força necessária apenas para deformar o plástico, os ciclistas também precisam superar a resistência do fluido à medida que a água é forçada através do bico. Nesse caso, a força necessária para comprimir a garrafa com o fluido dentro é mais de 4 vezes maior do que sem o fluido. Para um desempenho verdadeiramente otimizado, tanto o design estrutural da garrafa quanto a geometria do bico devem ser considerados em conjunto, garantindo o fluxo máximo de água com a menor força de compressão possível.
Fluxo de massa de água em função da força de compressão da simulação FSI
Do Design à Fabricação
Uma vez finalizado o projeto ideal para a garrafa de ciclismo, a atenção se volta para a fabricação — especificamente, para garantir que o formato desejado e as espessuras de parede cuidadosamente selecionadas possam ser efetivamente alcançadas na produção. Com os recursos de reologia computacional baseada em elementos finitos do Simcenter STAR-CCM+, os engenheiros podem simular o próprio processo de moldagem por sopro. Esse recurso permite a previsão virtual do fluxo de material e da distribuição de espessura resultante dentro da garrafa final — muito antes de qualquer ferramenta física ser cortada.
Na versão mais recente, o Simcenter STAR-CCM+ 2506, foram introduzidos novos recursos de modelagem de contato, permitindo a simulação das interações entre a garrafa em expansão e o molde durante a conformação. Isso garante que as características geométricas e espessuras críticas sejam reproduzidas fielmente na fabricação, ajudando a minimizar iterações dispendiosas de tentativa e erro no chão de fábrica. Ao integrar perfeitamente o design do produto e a simulação do processo, o Simcenter STAR-CCM+ acelera a inovação do ambiente de trabalho digital para produtos reais e prontos para a competição.
Correndo para o topo – Um aperto perfeitamente projetado de cada vez
Enquanto o grande pelotão percorre a França em julho, cada aperto de uma garrafa d'água é apoiado por engenharia e simulação sofisticadas. O que parece simples à primeira vista é, na realidade, o resultado de design e otimização digitais avançados, apoiando os maiores atletas do mundo em sua busca pela vitória, um aperto perfeitamente projetado de cada vez.
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