A análise de elementos finitos (FEA) é um método computacional que permite simular como determinada estrutura se comporta em uma aplicação real. Essa previsão é feita a partir de um software que permite a implementação da estrutura sob um regime de carregamento de forças como vibração, calor, vazão de fluidos e outros efeitos. A partir disso é possível se o material irá falhar, desgastar ou funcionar como projetado.
Este método oferece uma confiabilidade muito grande ao projeto, uma vez que divide o material em uma malha com número muito grande de elementos cúbicos (milhares a centenas de milhares). Equações matemáticas que são modeladas de acordo com o carregamento, geometria e material ajudam a realizar a previsão do que ocorre a peça em questão. Com isso é possível evidenciar como cada pequena parte do material reage as situações reais, evidenciando pontos críticos de falha.
O diferencial do FEA se encontra na possibilidade de se realizar testes na estrutura antes que seja feita a manufatura do protótipo. Este fato colabora intrinsecamente para a redução de custos, uma vez que fazendo ajustes no projeto e paralelamente realizando a validação do protótipo em série se torna custoso em demasiado. É factível observar que este método se torna válido para a validação de modelos complexos uma vez que a dificuldade de se manufaturar e testar as peças seja um complicador, pelo fato de se envolver processos de fabricação complexos e testes não convencionais.
O FEA possui um alto grau de complexidade consequentemente admitindo um custo computacional elevado diretamente proporcional à dificuldade do problema em questão. Este fato garante a recíproca citada anteriormente que este método se aplica somente aos casos em que a manufatura e os teste da estrutura sejam dispendiosos. Este método tem aplicação para a previsão do comportamento de peças afetadas pelos efeitos físicos de:
- Tensão Mecânica
- Vibração Mecânica
- Fadiga
- Movimento
- Transferência de Calor
- Vazão de Fluidos
- Eletrostática
- Moldes de Injeção Plástica
Além das análises serem feitas separadamente, elas também podem ter um viés integrativo, ou seja, em uma só simulação podemos integrar diversas análises para simular de maneira mais fiel o comportamento de uma determinada estrutura à aplicação real. Como exemplo podemos citar a análise de elementos finitos desenvolvida em uma turbina onde o ar fornece um carregamento não linear mecânico à estrutura combinado com um gradiente de transferência de calor que varia conforme o fluxo de ar e a rotação em que as hélices da turbina atua. A imagem a seguir ilustra a análise realizada e os resultados de pressão nas pás da turbina, o teste de resistência das pás da turbina à vibração e o fluxo de ar que passa na turbina, da direita para a esquerda respectivamente.
Figura 1: Análise FEA Turbina de Avião.
É possível observar claramente que este tipo de desenvolvimento oferece uma grande complexidade e por isso deve ter profissionais extremamente capacitados e softwares e hardwares com alta potência para a resolução deste tipo de problema. A confiabilidade dos testes de elementos finitos deve ser muito alta pois o protótipo a ser construído posteriormente deve atender a um grau de eficiência muito alto validando o projeto, caso contrário tempo e investimento serão desperdiçados.
Para garantir maior eficiência o processo de análise consiste normalmente em três principais passos, sendo esses: pré-processamento, análise e pós-processamento. Na etapa de processamento tem-se o maior empenho do responsável por construir o modelo uma vez que este deve definir a geometria, especificar o material, gerar a malha e aplicar as condições de contorno do problema. Montado o problema o software irá realizar as análises montando a matriz de soluções de cada e elemento e do problema geral resolvendo o sistema. No pós-processamento o software fornecerá todos os dados requeridos na etapa de pré-processamento, garantindo que o usuário possa estabelecer o seu julgamento sobre o que ocorreu com a estrutura.
A equipe de projeto normalmente acompanha todo desenvolvimento no software de elementos finitos e realiza modificações em tempo real no projeto para que o processo de validação seja otimizado. A agilidade deste processo é tão importante quanto a eficiência, caracterizando um projeto de ponta.
Além do teste de peças já prontas ou montagens como foi visto anteriormente com o exemplo da turbina, também é feito o teste para processos de fabricação. Uma novidade que se encontra no mercado é a análise de elementos finitos para processos de fabricação não convencionais como é o exemplo da injeção plástica.
Este processo de fabricação é usado para realizar a manufatura de diversos produtos desde componentes para a linha branca como para peças automobilísticas. Após o produto ser projetado os moldes para a injeção são usinados com alta precisão e normalmente são compostos de alumínio ou aço. O plástico então é aquecido, misturado e injetado na cavidade do molde sob pressão, onde passa por um processo de resfriamento para assumir a geometria negativa do molde.
Por conta de se tratar de um processo de fabricação não convencional e agregar muitas variáveis ao procedimento acaba sendo difícil prever o que irá acontecer sem ser feita uma análise minuciosa. Os fatores de tensão interna e residual, vibração, dinâmica dos fluidos são empecilhos desafiadores no projeto de uma peça mas que podem ser solucionados com uma abordagem precisa e rápida fornecida pelo software de FEA.
Abaixo podemos ver uma simulação de manufatura por injeção a partir de moldes de compressão. Esse tipo de análise permite ver quais os pontos mais críticos para o fluxo do fluído, tensão residual gerada, gradiente de temperatura e demais fatores que podem implicar na tolerância e qualidade do material que o processo está projetado para produzir.
Figura 2: Análise FEA Molde de Compressão
Este processo em específico só busca otimizar e aumentar a produtividade de peças com isso se torna inviável realizar testes com protótipos ate que realmente entre de acordo com o projetado, uma vez que os moldes têm custo muito elevado por seu processo de fabricação exigir baixíssimas tolerâncias. Com isso a melhor saída encontrada é otimiza o processo por meio do FEA e garantir que o mínimo de problemas ocorra na etapa de manufatura e posteriormente em uso.
É plausível admitir que o FEA aparece como um simplificador de problemas, otimizador de tempo e redutor de custos. Em processos de complexos ele se torna uma ótima saída em uma larga escala de aplicação podendo agir em diferentes campos de atuação com uma clareza de resultados muito grande, fazendo com que a etapa de projeto tenha um grau de eficiência muito grande sem que seja necessário realizar nenhuma manufatura.
Vale ressaltar a importância de profissionais treinados e custo computacional que são embutidos nesse pacote. Porém somando esses custos e levando em conta a complexidade dos projetos temos que a redução do investimento aplicado chegar em até 30%. Tudo isso fez que diversas empresas de desenvolvimento de tecnologia ampliarem os seus recursos computacionais e investirem nessa saída gerando maior lucro com em menos tempo.
