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simulação por elementos finitos na prática – Parte 2

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Na primeira parte deste artigo vimos as dificuldades enfrentadas por nós desenvolvedores para criar projetos inovadores, onde acabamos por criar inúmeros protótipos para chegar a um resultado satisfatório, gastando tempo e dinheiro desnecessários. Mas vimos que utilizar simulação por elementos finitos pode reduzir drasticamente a quantidade de protótipos. 

Portanto, se você não leu a primeira parte, recomendo que comece por ela clicando aqui.

Contudo, em uma situação com um número grande de variáveis possíveis, mesmo a Simulação por Elementos Finitos poderá se tornar um trabalho árduo para o Engenheiro, que terá de testar inúmeras propostas diferentes.

Então, seguindo com nossa “parte 2”, continue lendo para saber mais como resolveremos essa questão utilizando automação.

Automatização, a Chave para Reduzir o Trabalho Braçal no Processo de Simulação por Elementos Finitos

Os principais softwares de mercado possuem módulos para este tipo de trabalho.

Porém para este artigo escolhemos utilizar o Solidworks Simulation Premium versão 2016. A escolha se deu apenas por comodidade e disponibilidade do software quando estávamos elaborando este material.

A opção de Otimização utilizando dados de Simulação por Elementos Finitos está disponível no Solidworks Simulation a partir da versão Profissional como vimos na Parte 1 deste artigo.

Outras versões do programa poderão apresentar pequenas alterações na apresentação dos campos, contudo o conceito mostrado neste artigo não sofrerá grandes alterações, caso tenha dúvidas não deixe de comentar no fim da página deste artigo.

Para iniciar o Estudo de Projeto, primeiramente você terá de ter realizado a análise estática conforme explicamos na Parte 1.

Lembrando que você poderá realizar o download dos arquivos deixando seu nome e e-mail abaixo:


Continue lendo… Neste artigo vamos tratar sobre:

  • Estudo Prático de Simulação por Elementos Finitos: Passo a passo utilizando Solidworks Simulation Premium
    • Configurando as variáveis
    • Configurando as restrições
    • Configuração de Objetivos
    • Analisando os resultados

 

Estudo Prático de Simulação por Elementos Finitos: Passo a passo utilizando Solidworks Simulation Premium

Após finalizar o estudo de carregamento estático, clique com o botão direito do mouse sobre a análise, posteriormente selecione “Criar Estudo de Projeto”, conforme demostrado na Figura 1 abaixo:


Figura 01

O Solidworks irá criar um “Estudo de Projeto”, conforme mostrado na Figura 2.


Figura 02

Será nesta tela que trabalharemos todas as variáveis do nosso estudo além de informar para o programa quais são os nossos objetivos.

Importante! Deixe selecionado a opção “Otimização”, caso contrário não iremos obter o resultado esperado.
Nesta tela está localizado os campos Variáveis, Restrições e Metas.

– Em Variáveis iremos entrar com os valores de entrada, ou seja, tudo aquilo que irá mudar para obter os dados de saída, para o nosso estudo as nossas variáveis são as dimensões a serem variadas na Biela, lembrando que nós já tratamos desses valores na Parte 1 desse artigo.

– No campo Restrições é informado quais são os limites a serem trabalhados, ou melhor dizendo, o que não será aceito, para este projeto delimitamos a tensão máxima na Biela em 35MPa. O Solidworks irá gerar inúmeras análises, combinando todos os valores descritos em “Variáveis” e irá eliminar todos os estudos onde o resultado de tensão máxima na Biela esteja superior a 35MPa.

– Por fim temos as Metas. Será neste campo que diremos ao programa qual é o objetivo da nossa análise. Nós queremos a Biela mais leve possível afim de economizar em matéria prima e consequentemente um componente mais barato.

Em resumo a automação de simulação no Solidworks Simulation trabalha basicamente da seguinte forma:

Combina os valores das varáveis de entrada, dentre todos os estudos em que os resultados forem dentro das restrições ele nos mostrará aquele que melhor (ou melhores) representa nossas metas (nossos objetivos).

 

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Estudo Prático de Simulação por Elementos Finitos: Configurando as variáveis

E seguindo, clique em “Clique aqui para adicionar Variáveis”, conforme mostrado na Figura 3. A tela de entrada de parâmetros será apresentada, conforme Figura 4.


Figura 03

De um duplo clique no componente Biela, este comando fará com que o Solidworks mostre todas as cotas utilizadas para criar o modelo matemático deste item.

Em seguida, clique sobre a cota de 35mm que representa a espessura da Biela. A caixa Parâmetros irá adicionar esta dimensão à entrada de recursos, na coluna Nome inclua a descrição Espessura para que seja fácil identificar posteriormente.

Repita a operação acima para as dimensões da Largura e ngulo do corpo da Biela. Clique em OK para confirmar a adição destas dimensões ao campo de Variáveis.


Figura 04

Após fechar a caixa Parâmetros, clique novamente em “Clique aqui para adicionar Variáveis”, perceba que os parâmetros nomeados ngulo, Largura e Espessura foram adicionados (Figura 5). Clique em Espessura e defina o campo Min (mínimo) com o valor de 30mm, campo Max (máximo) com o valor de 40mm e por fim o capo Step com o valor de 2mm.

Dessa forma o programa entenderá que ele deverá considerar modelos com espessuras de 30mm até 40mm com intervalos de 2 em 2mm, ou seja, 30mm, 32mm, 34mm, 36mm, 38mm e 40mm.


Figura 05

Repita a operação para os parâmetros de Largura e ngulo, considere os valores tratados na primeira parte desse artigo.

Ao fim dessa operação você terá um resultado como mostrado na Figura 6.


Figura 06

Estudo Prático de Simulação por Elementos Finitos: Configurando as restrições

Estamos prontos para configurar o campo Restrições.

Nele devemos incluir sensores que informarão ao Estudo de Projeto os parâmetros medidos ao fim de cada interação, ou seja, no nosso caso de estudo temos de incluir um sensor que meça a tensão máxima gerada pelo carregamento ao fim de cada análise combinada pelos valores descritos em Variáveis. Veja a Figura 7.


Figura 07

Após clicar em “Adicionar sensor” a tela de configuração se abrirá ao lado da PropertManager, no canto esquerdo do programa.

No campo “Tipo de sensor”, selecione a opção “Dados do Simulation”.

Caso o programa retorne uma mensagem de erro isso significará que você não está utilizando a licença do Solidworks Simulation apropriada para este tipo de análise.

Apenas licenças Profissional e Premium do Simulation permitem este tipo de recurso.

As licenças inferiores permitem apenas a utilização de sensores que controlam dados do modelo matemático – como massa por exemplo – e não resultados das simulações por elementos finitos.

No campo “Quantidade de dados” selecione as opções “Tensão” e posteriormente “Von: tensão de von Mises” respectivamente. Isso para configurar que queremos medir os resultados de tensão.

No campo “Propriedades” selecione a primeira caixa como “N/mm² (MPa)” que é a unidade adequada para o nosso estudo. Selecione “Modelo máximo” e “Por todas as etapas”.

Aqui vale uma pausa para uma observação importante, a opção “Modelo máximo” só foi possível utilizar por termos configurado os componentes Virabrequim e Pistão como Não Deformáveis na simulação estática, dessa forma o único item deformável será o nosso objeto de interesse, a Biela.

Caso todo o conjunto resultasse em deformação, o campo “Propriedades” deveria ser preenchido com a opção “Máximo sobre entidades selecionadas” e então selecionar o componente de interesse, no caso, a Biela.

Feche a janela de Sensor clicando no botão confirmar verde.

Inclua o sensor que você acabou de criar, selecione a opção “É menor que” e no campo Max: insira o valor de 35 N/mm², que é a magnitude especificada para o nosso projeto.


Figura 09

Estudo Prático de Simulação por Elementos Finitos: Configuração de Objetivos

Finalizado a etapa de inclusão das restrições agora incluiremos nossos objetivos no campo Metas.

Como dissemos anteriormente é nesta opção que configuraremos o que o programa deverá considerar como melhor opção.

Clique em “Clique aqui para adicionar Metas” Iremos novamente criar sensores, dessa vez as opções serão configuradas para obter o modelo com a menor massa possível, limitando a tensão máxima desejada.


Figura 10

No campo “Tipo de sensor” selecione a opção “Propriedades de massa”.

Em “Propriedades” selecione “Massa”, na tela azul logo abaixo você deverá selecionar o nosso componente de estudo, a Biela.

Ao fim dessa configuração as configurações deverão estar conforme mostradas na Figura 10.

Feche a janela e retorne para o campo mostrado na Figura 9
Inclua o sensor Massa 1 que você acabou de criar. Na caixa ao lado selecione a opção “Minimizar”.

Perceba que acabamos de configurar o programa para executar 54 configurações diferentes.

Imagine você quanto trabalho daria para executarmos cada configuração manualmente, certamente optaríamos por executar apenas uma fração dessas configurações, apenas aquelas que acreditamos ser viáveis, assumindo assim o risco da melhor opção não ser selecionada.

Este é um risco que no atual momento de competitividade das empresas, uma fração na diferença de custo de um componente ou produto poderá ser a diferença entre ganhar ou perder um cliente.

Não há mais espaço para “quase ótimo”, otimização é a primeira palavra que deve vir a cabeça do Engenheiro de Desenvolvimento.

Chegando a este ponto o nosso modelo estará completamente configurado e pronto para iniciar as simulações simultâneas.
Ao lado da caixa de seleção “Executar” há um botão Executar, clique nele.

A janela de execução do Estudo de Projeto abrirá conforme mostrado na Figura 12.

E neste ponto será apenas necessário aguardar que finalize todas as interações do nosso estudo.

Isso poderá levar desde vários minutos até algumas horas, o tempo de execução de cálculo dependerá exclusivamente do poder de processamento do seu computador.

No computador do laboratório do Clube do Projetista esta simulação levou um total de 43 minutos para finalizar todas as interações das 54 simulações por elementos finitos.

Deixe nos comentários quanto tempo o seu computador levou para realizar todas as simulações!!


Figura 12

Você poderá conferir os resultados finais na Tabela 1.
E é importante frisar que dependendo das configurações de malha utilizada, ou mesmo diferentes versões do solver poderá resultar em pequenas variações nos valores apresentados, contudo nada que afete a análise, não se esqueça de que simulação por elementos finitos é um método de aproximação.

Se por ventura os valores da sua simulação sejam muito diferentes dos apresentados na Tabela 1 verifique as definições de contorno utilizadas, unidades empregadas e o refino de malha.

Esses são os principais erros cometidos por quem está iniciando o uso de simulação por elementos finitos.



Tabela 01

Estudo Prático de Simulação por Elementos Finitos: Analisando os Resultados

O estudo de número 19 é a que apresentou o maior valor de tensão, tendo como resultado 60.9 MPa e mesmo assim não é a configuração resulta na menor massa.

A menor massa ficou por conta da primeira configuração, este resultado já era esperado, afinal as simulações vão dos menores valores até os maiores e por possuir as menores dimensões é fácil prever que esta seria a configuração de menor massa. A análise de tensão máxima resultou um valor de 56,2MPa e por isso não foi considerada como uma opção viável para o nosso estudo.

O estudo de número 6 apresentou o menor valor de tensão máxima, resultando na magnitude de 22,8 MPa, caso estivéssemos buscando um componente que resultasse na maior resistência a fadiga, certamente este seria um dos nossos escolhidos, porém o nosso intuito aqui é o de menor massa. A configuração 6 resultou no valor de 648,2 e por isso não é a nossa melhor opção. A análise considerando vida em fadiga também está disponível no Solidworks Simulation, mas este tema ficará para um outro artigo, deixe nos comentários caso você se interesse como fazer este estudo.

O estudo de número 4 foi a configuração com os melhores resultados, ou seja, a Biela mais leve entre aqueles que estavam com a tensão máxima abaixo dos 35 MPa. A configuração escolhida possui os valores de 36 x 30 x 12°, Espessura, Largura e ngulo respectivamente, a massa resultante foi de 648,2 g e tensão máxima de 29 MPa, ou seja, 6 pontos abaixo de nossa especificação.

Na guia “Vista de Resultados” é possível verificar todos os resultados gerados.

Para identificar o melhor resultado não é preciso analisar todos os valores, o próprio programa nos indica a configuração otimizada pintando está com a cor verde, conforme podemos ver na Figura 13.


Figura 13

Neste artigo vimos uma forma eficaz de gerar resultados com alto valor agregado ao nosso projeto. A automação de simulações é poderosa e poderá salvar muito tempo e dinheiro.

Se este artigo foi útil, não esqueça de deixar o seu comentário.

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  • Fabiano Martins

    Parabéns Fabrício ótimo conteúdo agregou demais .

    • Muito obrigado Fabiano, ficamos felizes que tenha gostado e deixado seu comentário!

      Abraços

  • Ricardo Salviano

    bacana de mais o conteudo !

    • Olá Ricardo, que bom que gostou, estamos fazendo o melhor para disponibilizar conteúdos que possam ajudar a todos!

      Abraços

  • Mirella Decresci Leinat

    Ótimo texto

  • Fábio Amaral

    Show de bola!! Parabéns pela iniciativa do clube.