Na área de engenharia muitas vezes o termo simulação computacional é algo bem recorrente. Mas o que é isso? Para que é utilizado? Quais as suas vantagens? Nesse artigo iremos tratar sobre os conceitos básicos de uma simulação computacional no ramo de engenharia e quais são as suas vantagens.
A teoria por trás de uma simulação computacional é chamada de Método de Elementos Finitos (MEF). Os softwares mais comuns no mercado como Siemens NX, Abaqus, ANSYS, SolidWorks utilizam essa teoria para resolver os problemas que os projetistas necessitam.
Resumidamente, nesses programas, o usuário entra com a geometria de peça desejada, podendo ser um pistão de um motor, uma viga de um prédio e até mesmo componentes de um satélite. Em seguida é feito a discretização dessa forma geométrica em pequenos elementos, o tamanho e/ou quantidade deles podem ser definidos pelo usuário. Essa discretização recebe o nome de malha. As malhas podem ser construídas das mais diferentes formas, utilizando elementos unidimensionais, bidimensionais e tridimensionais. A escolha do elemento é de responsabilidade do projetista, por isso é importante que ele conheça bem a teoria para cada um desses tipos.
A discretização de uma peça nada mais é que dividir essa geometria em pequenos pedaços de modo que o software consiga calcular para cada um desses elementos o seu comportamento. Sabendo o que acontece em cada, é possível ter conhecimento do corpo como um todo.
Figura 1 – Exemplo de discretização de uma forma geométrica.
Uma vez criada a malha em uma peça, é necessário fornecer ao programa quais as condições em que ela estará submetida, ou seja, as restrições de movimento, se ela é fixa ou pode se movimentar em algum eixo de coordenada. Além disso, é preciso inserir os carregamentos que essa peça sofre, os pontos de ação de forças, torque ou deslocamentos.
Figura 2 – Aplicação de uma força sobre um flange.
Pronto! Feito todos esses passos, o programa já é capaz de resolver um problema e fornecer o resultado. Isso não quer dizer que acabou, agora que começa a parte mais importante, que é analisar as respostas obtidas. Um bom projetista sabe ver os resultados e tirar as informações importantes, se tudo está dentro do planejado, se a peça vai quebrar ou não, se ela suportará os carregamentos.
Figura 3 – Exemplo de um resultado de simulação computacional.
Apesar de muito utilizado para análises estruturais, o Método de Elementos Finitos é utilizado também na resolução de problemas térmicos, fluídicos, acústicos e até eletromagnéticos.
Figura 4 – Exemplo de análise aerodinâmica de um carro de Fórmula 1.
Historicamente, o método começou a ser difundido a partir da década de 60, quando os primeiros softwares comerciais e acadêmicos começaram a surgir. Esse desenvolvimento esteve ligado com a popularização dos computadores nessa época. A NASA em 1965 iniciou o desenvolvimento de um dos programas mais difundidos atualmente, o NASTRAN, que é a base de alguns softwares comerciais.
Esse método fornece respostas aproximadas para os problemas, mas com um grau de erro tão pequeno, que é possível considerar as respostas como boas representações do que acontece no problema real. Com o passar do tempo, a capacidade de processamento dos computadores permitiu cada vez mais que os engenheiros utilizem essa ferramenta do dia a dia, de modo a acelerar a sua produtividade.
Figura 5 – Análise via Elementos Finitos está cada vez mais presente na vida de um engenheiro.
1 – Otimização de Geometrias
Devido a facilidade de executar várias simulações, é relativamente simples testar várias geometrias de peças para o mesmo problema, com a finalidade de encontrar uma que possa ter o menor tamanho, menos peso e consequentemente menor custo de produção, mas que seja capaz de executar com excelência a função para a qual foi projetada.
Imagine ter que executar testes reais com protótipos para analisar o comportamento de cada geometria, o tempo gasto com isso seria muito elevado. Desse modo utilizar um software de elementos finitos é o meio viável de realizar essa otimização.
Alguns programas possuem funcionalidades especificas para isso, no qual você insere uma peça com a geometria inicial, e fornecendo os parâmetros desejados como resposta, o software foi realizar simulações para encontrar a melhor geometria que consegue resolver o problema sem que o projetista tenha que criar diferentes formas para a peça e testar uma por uma.
2 – Redução de Custos e Tempo
Um dos pontos mais interessantes de utilizar simulações é diminuir a necessidade de construção de protótipos, uma vez que através do Método de Elementos Finitos é possível ter uma resposta com boa precisão do comportamento de um material ou forma geométrica. Desse modo, a construção de apenas um protótipo para validar se a peça comporta como o previsto, através de testes reais, é o bastante. Isso não será problema se o projetista souber inserir as condições de contorno corretas.
Como o tempo necessário para rodar as simulações são geralmente menores que o tempo para a construção de protótipos, o volume de peças projetadas corretamente é bem maior. Isso é um fator que pode colocar uma empresa à frente de suas concorrentes e que, consequentemente, pode reduzir o custo de um produto de modo a trazer maior lucratividade.
3 – Similaridade dos Softwares no mercado
Os softwares para simulação de Elementos Finitos apresentam muitas semelhanças entre si, então não é necessário ficar preocupado em querer aprender como resolver seus problemas em todos eles. Uma vez que um projetista domine um programa, ele conseguirá com certa facilidade realizar simulações em outros.
Como já citado anteriormente, o software apenas fornece os resultados, já a análise aprofundada fica a cargo do projetista. A experiência se acumula com o tempo e o estudo sobre a teoria de Mecânica dos Sólidos e Métodos Numéricos é contínuo.
Um projetista que domine esses assuntos certamente terá muita oportunidade no mercado de trabalho, pois é uma área que não é preenchida com facilidade e possui uma demanda considerável por bons profissionais.
4 – Representa com fidelidade o problema real
Apesar do método utilizado para resolução dos problemas fornecer uma resposta aproximada, o erro causado pelas interpolações numéricas é bem pequeno. Dessa forma, é possível confiar nessas análises.
Entretanto, para se alcançar respostas mais precisas é necessário construir uma malha mais refinada, e isso só é possível com um projetista experiente. Uma malha bem construída não apresenta elementos diferentes, ou seja, há apenas elementos triangulares ou retangulares.
Outra forma de saber se uma malha está bem refinada, é observar se há presença de simetria, isso é um indicativo de que houve um processamento cauteloso por parte do projetista. É importante ressaltar que os programas são capazes de gerar malhas automaticamente, mas nem sempre é a melhor que ele tem a oferecer. Isso reforça ainda mais a importância de um bom profissional capaz de utilizar esses softwares com propriedade.
5 – Variedade de aplicações
Esse método não se limita apenas a análise estrutural, esperando respostas como tensão, deformação, deslocamentos. É possível também realizar simulações de sistemas fluídicos, sendo bastante utilizado para problemas de aerodinâmica, hidráulica e fluxo de fluidos através de um corpo.
O Método de Elementos Finitos é também bastante utilizado na área térmica, como transferência de calor para realizar simulações tanto para situações de transferência por condução ou convecção. É possível obter resultados para análises de como o calor pode dilatar um material, o que permite uma vasta aplicação em problemas reais de engenharia.
Alguns programas oferecem até mesmo análise orbital, não só na Terra como em outros planetas também. Permitindo analisar, por exemplo, as consequências de um satélite ficar exposto à radiação solar, na qual seus componentes podem sofrer algum mal funcionamento. Além disso, é possível fazer uma simulação que forneça dados não apenas para um ciclo, mas sim para quantos o projetista achar necessário, analisando assim a fadiga que isso pode causar no sistema.
Com as vantagens apresentadas para esse método, é possível afirmar que uma análise de elementos finitos é uma boa forma de se resolver problemas de engenharia com um grau de precisão muito aceitável. Essa ferramenta permitiu a produção de novas peças cada vez mais tecnológicas e eficientes, o que tem levado a redução de custos e de tempo durante a fase de desenvolvimento. O fato de os programas apenas fornecerem os resultados crus, o projetista ainda possui um papel fundamental na utilização desses softwares, pois é ele quem dá a resposta final após uma análise aprofundada dos resultados obtidos.
Esse método permitiu não só análises estruturais, como abriu um leque muito variado do que é possível fazer nesses softwares, o que com certeza tem alavancado o desenvolvimento mais eficaz de muitas áreas da engenharia como transferência de calor, análises orbitais e mecânica dos fluidos.
Para o futuro, essas simulações serão cada vez mais presentes na vida de um engenheiro moderno, sendo fundamental o amplo domínio dessa ferramenta para não se tornar um profissional ultrapassado.
