À medida que você se interessa em aprender mais sobre simulação computacional na área de engenharia, talvez encontre materiais interessantes, mas ao mesmo um pouco complicados de entender.

Isso acontece justamente por conta da riqueza da simulação: são tantas técnicas, métodos e ferramentas disponíveis para simular, que acabam se tornando um pouco difícil.

Pensando nisso, separamos para você os 10 termos de simulação computacional que todo profissional precisa saber.

 

1. Geometria

Para ser realizar uma simulação é ter uma geometria do modelo a ser analisado. É possível realizar certas simplificações geométricas, sem interferir na qualidade dos resultados. As operações devem ser realizadas com cautela, sendo permitidas alterações em regiões onde o nível de tensão é desprezível.

 

2. Material

Dependendo do tipo de material, as propriedades a serem fornecidas para o software podem ser diferentes.

Para os metais, quando a deformação do componente é pequena (menor que 0,2% para os aços) as propriedades necessárias são obtidas através do ensaio de tração do material: módulo de elasticidade (módulo de Young) [N/m2], Poisson [-], densidade [kg/m3].

Para os polímeros, o levantamento das propriedades também se dá através do ensaio de tração, mas o limite de elasticidade destes materiais não é tão bem definido como o dos metais.

Para as borrachas, também chamado de materiais hiperelásticos, o ensaio de tração é também usado para determinar as propriedades. Neste caso o software necessita de todos os pontos da curva tensão-deformação obtida para que ele possa determinar a caracterização do material.

 

3. Malha de elementos finitos

A solução de elementos finitos só é possível pela discretização do modelo físico em nós e elementos. O modelo físico pode ser discretizado utilizando-se os seguintes tipos de elementos: casca, sólido, viga e barra.

Os elementos de casca são utilizados quando uma das dimensões do modelo (espessura) é relativamente menor do que as demais.

Os elementos sólidos são utilizados quando não há no modelo dimensões muito pequenas, como é o caso da espessura no elemento de casca.

Os elementos de viga são utilizados quando duas dimensões do modelo (dimensões da seção) são relativamente menores do que o comprimento. Nos elementos de viga são transmitidos esforços de tração ou compressão, forças cortantes, momentos fletor e torçor.

Os elementos de barra (malha de treliça) são utilizados quando duas dimensões do modelo (dimensões da seção) são relativamente menores do que o comprimento. Nos elementos de barra são transmitidos somente esforços de tração ou compressão.

 

4. Conexões

Nas conexões são definidas as interações entre as partes do conjunto como contatos (com atrito, sem atrito), juntas, molas, etc.

 

5. Carregamentos

Através dos carregamentos são definidas forças, pressões, acelerações, cargas de parafuso, momentos, cargas térmicas, deslocamentos prescritos.

 

6. Restrições

Através das restrições são definidas condições de contorno do modelo como apoios ou engastes.

 

7. Análise

Os tipos de análises mais conhecidas são: estática (linear, não-linear), dinâmica (modal, resposta em frequência, PSD, transiente), otimização topológica, termo-estrutural e fadiga.

Na análise estática linear a estrutura apresenta comportamento linear na relação força x deslocamento, também na relação tensão x deformação.

Na análise estática não-linear a estrutura apresenta comportamento não-linear na relação força x deslocamento. Situações que tornam a análise não-linear são: grandes deformações, grandes deslocamentos, material (plasticidade, borracha, fluência), contato (atrito).

Na análise dinâmica, além da rigidez, a inércia e o amortecimento da estrutura também contribuem para o cálculo. Exemplos de análises dinâmicas: modal  (avaliação de frequências ressonantes), resposta em frequência (máquinas rotativas), randômica (excitações randômicas aleatórias), transiente (eventos de impacto).

A otimização topológica (TOM) é um procedimento numérico para esculpir a melhor distribuição de material de uma estrutura dentro de um determinado espaço de design, para um determinado conjunto de cargas e condições de contorno, com o objetivo principal de reduzir peso da estrutura.

A análise termo-estrutural visa encontrar as deformações mecânicas provenientes da expansão térmica de componentes estruturais, quando estão submetidos a temperaturas superiores à ambiente.

A fadiga é uma área de mecânica que estuda o efeito de ciclos de carregamento na estrutura ao longo do tempo e que podem provocar a falha mecânica.

 

8. Resultados

Os elementos estruturais são projetados de modo que não venham a falhar pela ação dos carregamentos aplicados.

Quando o projetista precisa elaborar um projeto, deve estabelecer um limite superior para o estado de tensão que defina a falha do material. Se o material for dúctil, geralmente a falha será especificada pelo início do escoamento. Se o material for frágil, será especificada pela fratura. Esses modos de falha são facilmente definidos se o componente estiver submetido a um estado de tensão uniaxial. Caso o estado de seja biaxial ou triaxial, o critério para falha fica mais difícil de ser determinado.

Existem quatro critérios para prever a falha de um componente submetido a um estado multiaxial de tensões:  critério de Tresca e Von Mises (materiais dúcteis), máxima tensão principal e Mohr (materiais frágeis).

 

9. Gráfico de convergência

O gráfico de convergência mostra a estabilização do valor de tensão, segundo o refinamento da malha. O resultado da malha refinada é o mais preciso, com menor erro.

 

10. Principais problemas que podem ocorrer na simulação

Algumas perguntas que podem surgir:

– A geometria da simulação é a mesma da geometria real? As simplificações da geometria da simulação têm impacto no resultado? O peso do modelo virtual e real são equivalentes?

– O material da simulação é o mesmo do real? As propriedades são as mesmas? Há influência da variação da temperatura nas propriedades mecânicas?

– A malha de elementos finitos representa o modelo real? Há utilização do tipo de elemento correto? Houve convergência da malha no resultado?

– As conexões entre os componentes estão definidas corretamente?

– Os carregamentos e restrições estão definidos corretamente? Eles são os mesmos que são aplicados no modelo real?

– A interpretação da avaliação do modelo virtual estar submetido à análise estática e/ou dinâmica está correta?

– Foram usados os critérios de falha corretos?

Uma dica: Marque este artigo entre os favoritos para relembrar os termos de vez em quando, até que estejam bem memorizados.

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