Como diminuir riscos em testes de armas de fogo utilizando simulação virtual

VirtualCAE
25/11/2022
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Simulação Virtual
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O estudo de balística de armas de fogo e munições é uma ramificação da mecânica aplicada que permite a análise do movimento do projétil no interior do cano, de sua trajetória no espaço e das consequências de seu impacto. Ainda hoje no Brasil, apesar das diversas ferramentas de simulação computacional disponíveis no mercado, a grande maioria dos estudos de balística são realizados manualmente, arriscando a vida de quem opera os testes.

Os projéteis utilizados nas armas de fogo apresentam geometrias aerodinâmicas relativamente simples, de modo que facilitam as análises computacionais de escoamento. Nas ferramentas de análise de CFD (Computational Fluid Dynamics), pode-se estimar parâmetros como velocidade, pressão, temperatura e arrasto, que são utilizados posteriormente como dados de entrada para simulação da trajetória do projétil.

Além disso, simulações estruturais podem ser empregadas na análise das carcaças das armas de fogo e das estruturas que são atingidas, uma vez que essas são sujeitas a choque ou carregamento de impacto. No impacto, a rapidez com que as forças são aplicadas produz altos níveis de tensão e de deformação, o que pode causar danos estruturais severos quando, ainda na fase de projeto, esse tipo de carregamento é desconsiderado.

Dessa forma, o emprego das ferramentas computacionais de simulação virtual garante uma avaliação de desempenho e impacto muito mais detalhada, barata e segura, quando comparada aos testes físicos. Para demonstrar como as ferramentas de engenharia assistida por computador podem ser aplicadas aos estudos de balística, a VirtualCAE preparou uma simulação de CFD para um projétil de 9 mm de diâmetro com velocidade de 350 m/s, condição semelhante à que ocorre no disparo de pistola.

A simulação foi realizada em um domínio físico bidimensional, discretizado com malha poliédrica. Nota-se que foi definida uma região de refinamento ao redor da geometria, a fim de capturar melhor os fenômenos do escoamento e a região da esteira, que compreende o fluxo em baixa velocidade que se estabelece atrás de corpos imersos em fluidos. Além disso, por simplificação, a simulação foi realizada para regime de escoamento estacionário, considerando a densidade constante e o modelo de turbulência Standard Spalart-Allmaras, que estima em sua formulação a viscosidade turbulenta.

O contorno da superfície induz a formação de uma zona de recirculação atrás do projétil, na esteira de escoamento. Isso é justificado pela viscosidade inerente ao ar, pois ela impede que o escoamento, após contornar o formato aerodinâmico da ponta, sofra uma mudança brusca de direção ao atingir o corpo cilíndrico. Dessa forma, o escoamento se separa da superfície na junção, como é evidenciado pela cor azul escura no contorno de velocidade.

No pós-processamento dos resultados da simulação pode-se conferir também a distribuição de pressão. As regiões de contorno da pressão ao redor da geometria demonstram a influência do formato e dos cantos na distribuição do escoamento, indicando as regiões de estagnação do fluxo. Deve-se ressaltar que o efeito Magnus presente na balística de munições, que contabiliza a influência da rotação do projétil no cano sobre a trajetória, não foi considerado na simulação realizada, uma vez que para isso necessita-se de modelos mais complexos.

Simulações computacionais de dinâmica dos fluidos possuem um amplo leque de aplicações, podendo ser utilizadas nos mais diferentes problemas da mecânica aplicada. Neste artigo, uma aplicação da análise aerodinâmica para auxílio no estudo de balística e trajetória de munições foi demonstrada. Nesse contexto, a simulação virtual desponta como uma inovação para a indústria bélica, garantindo mais segurança e confiabilidade no comportamento da trajetória dos projéteis e evitando acidentes em testes físicos.

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