Simulação Estrutural Utilizando o Pro Engineer Wildfire 2.0

Mesa de desenho, régua, escala, são objetos que foram substituídos por softwares na maioria das empresas brasileiras devido ao ganho de desempenho e funcionalidade que estes proporcionam, outro passo rumo a modernização no desenvolvimento de produtos é a utilização de recursos computacionais na concepção do projeto, a famosa prototipagem virtual. Com os softwares disponíveis no mercado conseguem-se resultados confiáveis que auxiliam no desenvolvimento de um projeto, reduzindo o número de falhas, diminuindo o custo de prototipagem e principalmente reduzindo o tempo para lançamento de um novo produto (time-to-market). Estes recursos, aliados ao know how detido pela empresa, diminuem o número de erros de engenharia pois o usuário consegue antever possíveis causas de falhas que não foram levados em consideração na hora da concepção do produto. Os grandes empecilhos para entrada desta tecnologia nas empresas são: a dificuldade de operação destes softwares, mão de obra qualificada para esta operação, alto custo agregado e recursos computacionais compatíveis.

O Pro/ENGINEER Structural and Thermal Simulation (antigo Pro/Mechanica), um dos módulos do Pro/ENGINEER para CAE, possibilita solução para as dificuldades expostas acima, por estar incorporado em um software de CAD, tornando-o de fácil utilização, o usuário consegue facilmente configurar uma simulação em sua montagem ou componente. Por ter uma interface voltada ao usuário de Pro/ENGINEER o torna de fácil entendimento, não precisando de grandes conhecimentos do método para configuração da simulação e geração de resultados, ainda conta com ferramentas de estudos sensitivos e otimizados que ajudam a rapidamente fazer alterações visando o atendimento dos requisitos de projeto.

Em virtude de o software ser integrado, uma alteração se torna muito mais fácil, pois após decidida a configuração ideal, automaticamente são atualizados os modelos e detalhamentos do produto. Caso tenham programações de manufatura estas também se atualizarão, mantendo o projeto sempre na versão mais atualizada tanto na engenharia, quanto na manufatura.

O módulo é integrado ao programa, não precisando fechar, minimizar ou inicializar novo processo, necessitando somente um clique para habilitá-lo.

Como todos softwares de simulação seguem os mesmos passos para configuração de entrada de dados para a simulação e estes serão mostrados em seqüência.

Geometria : Este é o primeiro item a ser definido, pode-se usar a geometria original ou fazer simplificações visando diminuição de erros e tempo de processamento. O Pro/ENGINEER Structural and Thermal Simulation tem um recurso de compressão de sólidos visando aplicar a teoria de casca, isto facilita, pois não precisa remodelar o componente em superfície para colocação da malha.

A inclusão de superfícies, pontos, áreas específicas para aplicação de restrições ou cargas torna-se uma tarefa muito simples, reduzindo muito o tempo de preparação da geometria para simulação e evitando erros de aplicação de cargas e restrições em locais impróprios.

Propriedades : A definição das propriedades dos materiais pode ser feita via biblioteca de materiais previamente configurada ou entrada manual de dados e configuração de novo material, em janela especifica onde são configuradas as unidades, estas sendo automaticamente convertidas a unidade de interesse. Outra grande facilidade deste software é trabalhar com unidades, grande parte dos softwares de simulação numérica exigem que o usuário entre com unidades coerentes, caso contrário os resultados gerados estarão em sistemas de unidades incoerentes, gerando uma interpretação errada dos resultados.

Carregamentos e Restrições : A aplicação de carregamentos e restrições no Pro/ENGINEER Structural and Thermal Simulation acontece de maneira intuitiva, pois é somente selecionar a superfície ou região onde se encontra as restrições e carregamentos e aplicar as cargas. Estas podem ser aplicadas pontualmente, distribuídas, em forma de anel, regida por uma função da maneira que melhor configurar a realidade do seu produto.

Geração de Malha: A malha para calculo pode ser gerada automaticamente ou configurada pelo usuário através de critérios de elementos estabelecidos por ele. O Pro/ENGINEER Structural and Thermal Simulation trabalha com elementos de viga, casca e sólido.

Tipo de Análise : O módulo habilita análises estáticas, dinâmicas, flambagem e estudos de projeto. A análise de estudos de projeto é um diferencial do módulo, permite fazer estudos sensitivos e otimizados. Estudo sensitivo te habilita variar dimensões e avaliar um critério escolhido (tensão máxima, deslocamento máximo, etc...), o resultado deste estudo é um gráfico da dimensão escolhida pelo critério. No estudo otimizado você seleciona uma meta, critérios e dimensões que o programa pode variar, e após análise o programa mostra a configuração que satisfaz a meta, dentro dos critérios estabelecidos.

Visualização de Resultados : Tem as opções de visualização via gráfico, plotagem no modelo, com animação mostrando a deformação com as possibilidades de visualizar tensões, deformações, deslocamentos e energia; configurados de acordo com o interesse do usuário.

Para demonstrar o que foi descrito utiliza-se de um exemplo de simulação feito no Pro/ENGINEER Structural and Thermal Simulation que será mostrado passo a passo.

A montagem escolhida para exemplo trata-se de um apoio de uma carreta, mostrados na figuras 1 e 2.

Figura 01: Carreta Tanque

Figura 02: Apoio a ser simulado

A montagem da figura 2 esta pronta para análise, não precisando qualquer alteração na geometria de nenhum dos componentes.

Utilizam-se elementos sólidos para simulação deste componente, automaticamente gerados pelo software.

Figura 03: Malha sólida gerada automaticamene

Na definição de propriedades, precisamos estabelecer os materiais de construção dos dois componentes da montagem. Na figura 4 encontra-se a janela de configuração de material para simulação, com campos de preenchimento para características mecânicas, térmica e de fadiga, somente é necessário as propriedades mecânicas neste caso, pois a simulação realizada é estrutural.

Definidas geometria e material a próxima etapa é adicionar carregamentos e restrições que simulem o mais próximo da realidade do componente. Neste caso em particular utiliza-se a base do componente completamente engastada, pois esta é fixa em outra peça e o carregamento é considerado distribuído na parte de cima onde suporta o tanque. As figuras 5 e 6 representam como é feita a seleção e aplicação de cargas e restrições.

Figura 04: Janela de configuração de material


Figura 05: Configurando restrições		Figura 06: Configurando carregamentos

Com a malha gerada, propriedades definidas e carregamentos e restrições adicionadas resta a configuração da análise a ser feita, neste caso uma análise estática, para certificação de que a tensão no componente esta abaixo da tensão de escoamento do material. A configuração final da simulação encontra-se na figura 7.

Figura 07: Simulação configurada

Temos opções de visualização das tensões plotadas no modelo conforme figura abaixo, e este pode estar no estado original como mostrado na figura 8 ou no estado deformado, dentro de uma escala de aumento pré-estabelecida pelo usuário, no caso da figura 9, a escala foi de 10%.

Figura 08: Tensões de Von Misses

Figura 9: Tensões de von Misses com componente no estado deformado

Após a análise estática o próximo passo é um estudo sensitivo variando dimensões de interesse buscando um maior entendimento do que acontece quando estas forem modificadas.

Figura 10: Configuração de estilo sensitivo

Neste caso escolhe-se a espessura do componente para ver o que acontece com relação a tensão máxima a que este componente esta submetido quando esta for alterada dentro de um intervalo estabelecido.

Figura 11: Gráfico da extensão pela variação da espessura

Tendo a variação de espessura mapeada o Pro/ENGINEER Structural and Thermal Simulation tem outra ferramenta chamada estudo otimizado, onde esta se propõe a encontrar uma configuração dentro das metas e critérios estabelecidos pelo usuário.

Figura 12: Janela de configuração do estudo de otimização

Nesta tela foi configurado que a meta é minimizar a massa dos componentes, como critério ficou estabelecido que a tensão deve estar abaixo de 210 MPa e o software pode variar a espessura dos componentes de 5 até 20 mm para atingir a meta dentro do critério estabelecido. Ao final o software apresenta a configuração que atinge aos requisitos e cabe ao usuário aceita-la ou não.

Estas são as ferramentas básicas para uma simulação estrutural com o Pro/ENGINEER Structural and Thermal Simulation, este módulo ainda possibilita simulações dinâmicas, modais e térmicas. Este tipo de ferramenta possibilita que se tenha maior conhecimento do produto antes da sua fabricação auxiliando no seu desenvolvimento, e tem como diferencial a facilidade de uso e o potencial de rapidamente estudar alterações visando atender alguns requisitos.

O Pro/ENGINEER ainda conta com outros módulos de simulação, como o Mechanism Dynamics (MDO), que faz simulações de mecanismos, calculando forças de reação, velocidades, acelerações; e o Behavioral Modeling (BMX) que faz a modelagem comportamental do componente mediante restrições e parametros impostos pelo usuário; alem do modulo Pro/ENGINEER Fatigue Advisor que faz calculo de ciclo de vida de produto.

Eng. Cristiano Domingues

Engenharia de Aplicações CAE da MCAD Tecnologias.

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