Trata-se da análise da influência das cargas que atuam continuamente ou podem vir a atuar periódica e/ou randomicamente no comportamento estrutural do equipamento.
O passo inicial do processo de análise por elementos finitos é o reconhecimento do problema apresentado pelo projeto da engenharia básica do equipamento. Isso implica na necessidade do calculista analisar o projeto original e os requisitos do produto, inclusive os derivados de seu ambiente de aplicação.
Inicialmente, o problema a ser analisado pelo FEM deve ser preparado. Isso significa modelar o fenômeno, introduzir condições iniciais e de contorno e carregamentos. Escolhe-se os elementos, materiais e simplificações que venham a facilitar a análise sem influir negativamente nos resultados. Um elemento importante da preparação do problema é a discretização do modelo. Basicamente são escolhidos os tipos de elementos e de nós a serem utilizados. O compromisso do modelo é a fidelidade do mesmo à aplicação versus o tempo de processamento necessário.
O passo seguinte é a solução do modelo que se baseia em um algoritmo numérico capaz de solucionar uma equação diferencial que comporta todas as restrições impostas ao modelo na etapa de preparação.
Inicialmente, o problema a ser analisado pelo FEM deve ser preparado. Isso significa modelar o fenômeno, introduzir condições iniciais e de contorno e carregamentos. Escolhe-se os elementos, materiais e simplificações que venham a facilitar a análise sem influir negativamente nos resultados. Um elemento importante da preparação do problema é a discretização do modelo. Basicamente são escolhidos os tipos de elementos e de nós a serem utilizados. O compromisso do modelo é a fidelidade do mesmo à aplicação versus o tempo de processamento necessário.
O passo seguinte é a solução do modelo que se baseia em um algoritmo numérico capaz de solucionar uma equação diferencial que comporta todas as restrições impostas ao modelo na etapa de preparação.
O método de elementos finitos (finite element method – FEM) é uma técnica de análise numérica mediante a qual se pode obter soluções numéricas para uma ampla gama de problemas de engenharia. Uma vez sendo integrado a sistemas CAD, o método permite representar detalhes geométricos e materiais de uma determinada estrutura, assim como a aplicação de diversos conceitos de projeto. Sua maior desvantagem é relacionada com custo e tempo de processamento.
Dependendo do tipo de produto em desenvolvimento há maior ou menor necessidade de realizar uma análise numérica da dimensão permitida pelo FEM. Por exemplo, no projeto de máquinas-ferramentas é necessário determinar as cargas máximas suportadas pela máquina em condições de operação e isso significa a necessidade de determinar o efeito da vibração e do calor residual produzidos pelo processo de usinagem de uma peça. Em ambos os casos – calor e vibração – os dispositivos eletrônicos utilizados poderão sofrer conseqüências danosas ao funcionamento do sistema. Esse mesmo tipo de problema não se aplica a um mouse óptico, um teclado ou um equipamento DVD.
Basicamente, o método FEM considera a região delimitada pelo produto e contorno formada por pequenos elementos interligados entre si cuja geometria é pré-definida pelo calculista. O FEM pode ser usado em diversos problemas de engenharia cujo objetivo seja: (1) problemas relacionados com equilíbrio análises de tensão de ossos e dentes, cargas em implantes etc.; (2) problemas de autovalores como freqüências naturais e estabilidade de acoplamentos, engrenagens e máquinas-ferramenta; e (3) problemas de propagação como respostas de estruturas de aviões a cargas aleatórias, resposta dinâmica de satélites a cargas aperiódicas etc.
Esse texto é baseado no trabalho de SANCHÉZ (2000), uma dissertação de mestrado defendida na EESC-USP que analisa a possibilidade de utilização da FEM para substituir testes de impacto na indústria automotiva. O método de análise por elementos finitos é estudado por outros pesquisadores da USP São Carlos, tais como MORENO (2006) e EVANGELISTA (2006) que analisam a utilização do método para determinar o comportamento de metais aeronáuticos em regime elástico.
Dependendo do tipo de produto em desenvolvimento há maior ou menor necessidade de realizar uma análise numérica da dimensão permitida pelo FEM. Por exemplo, no projeto de máquinas-ferramentas é necessário determinar as cargas máximas suportadas pela máquina em condições de operação e isso significa a necessidade de determinar o efeito da vibração e do calor residual produzidos pelo processo de usinagem de uma peça. Em ambos os casos – calor e vibração – os dispositivos eletrônicos utilizados poderão sofrer conseqüências danosas ao funcionamento do sistema. Esse mesmo tipo de problema não se aplica a um mouse óptico, um teclado ou um equipamento DVD.
Basicamente, o método FEM considera a região delimitada pelo produto e contorno formada por pequenos elementos interligados entre si cuja geometria é pré-definida pelo calculista. O FEM pode ser usado em diversos problemas de engenharia cujo objetivo seja: (1) problemas relacionados com equilíbrio análises de tensão de ossos e dentes, cargas em implantes etc.; (2) problemas de autovalores como freqüências naturais e estabilidade de acoplamentos, engrenagens e máquinas-ferramenta; e (3) problemas de propagação como respostas de estruturas de aviões a cargas aleatórias, resposta dinâmica de satélites a cargas aperiódicas etc.
Esse texto é baseado no trabalho de SANCHÉZ (2000), uma dissertação de mestrado defendida na EESC-USP que analisa a possibilidade de utilização da FEM para substituir testes de impacto na indústria automotiva. O método de análise por elementos finitos é estudado por outros pesquisadores da USP São Carlos, tais como MORENO (2006) e EVANGELISTA (2006) que analisam a utilização do método para determinar o comportamento de metais aeronáuticos em regime elástico.
Finalmente, o sistema é simulado interativamente de maneira a gerar os dados esperados pelo calculista, os quais podem ser: (1) deslocamentos nodais, (2) deformações da geometria, (3) gradientes de tensão de acordo com o critério de resistência escolhido, (4) gradientes de temperatura, (5) deslocamentos nodais ao longo do tempo, (6) freqüências nodais e modos de vibrar da estrutura.
Em todas as etapas do processo de análise por elementos finitos, deve-se observar o trade-off entre fidelidade do modelo e tempo de processamento. Além disso, as limitações dos softwares de simulação devem ser bem entendidas pelos projetistas de forma a abreviar o tempo necessário ao cálculo.
A etapa final do processo é analisar os resultados de simulação contra os requisitos de projeto, em especial os riscos relacionados com as falhas mecânicas derivadas de choques, vibrações, propagação dinâmica, fluxos de calor etc. Os valores de margem de segurança devem ser analisados. Situações nas quais as falhas possam resultar em perdas de vida humana devem ser analisadas para margens de 10 vezes os valores reais dos matérias utilizados na geometria definida pelas peças do projeto. Deve-se elaborar um relatório com sugestões de alteração de projeto, sejam relacionadas com os elementos de máquina utilizados, sejam relacionados com os materiais mecânicos ou ainda com necessidades de alterações pontuais de projeto.
Em todas as etapas do processo de análise por elementos finitos, deve-se observar o trade-off entre fidelidade do modelo e tempo de processamento. Além disso, as limitações dos softwares de simulação devem ser bem entendidas pelos projetistas de forma a abreviar o tempo necessário ao cálculo.
A etapa final do processo é analisar os resultados de simulação contra os requisitos de projeto, em especial os riscos relacionados com as falhas mecânicas derivadas de choques, vibrações, propagação dinâmica, fluxos de calor etc. Os valores de margem de segurança devem ser analisados. Situações nas quais as falhas possam resultar em perdas de vida humana devem ser analisadas para margens de 10 vezes os valores reais dos matérias utilizados na geometria definida pelas peças do projeto. Deve-se elaborar um relatório com sugestões de alteração de projeto, sejam relacionadas com os elementos de máquina utilizados, sejam relacionados com os materiais mecânicos ou ainda com necessidades de alterações pontuais de projeto.
Todas as especificações mecânicas derivadas do projeto da engenharia básica, carenagem, equipamentos de suporte etc., deve ser utilizada para subsidiar o processo de análise por elementos finitos. Em análises térmicas, a eletrônica do equipamento é modelada como uma fonte de calor.
As saídas são basicamente um relatório de simulação com proposições de alteração de projeto e margens de segurança calculadas para as diversas situações determinadas pelos requisitos de entrada.
A atividade pode ser retomada caso os testes de protótipos indiquem a necessidade de revisar os cálculos necessários ao fechamento do projeto.
As saídas são basicamente um relatório de simulação com proposições de alteração de projeto e margens de segurança calculadas para as diversas situações determinadas pelos requisitos de entrada.
A atividade pode ser retomada caso os testes de protótipos indiquem a necessidade de revisar os cálculos necessários ao fechamento do projeto.
