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1 2 Índices para catálogo sistemático: Análise estrutural: Engenharia __________________ Elementos finitos: Engenharia __________________ Engenharia auxiliada por computador: Engenharia _______________ http://www.domingosdeazevedo.com/ mailto:domingos_prof@yahoo.com.br ANSYS Workbench, Static Structural e Design Modeler são marcas registradas da SAS IP, Inc. Autodesk Inventor é marca registrada da Autodesk. Outras marcas citadas são marcas registradas dos seus respectivos proprietários. Azevedo, Domingos Flávio de Oliveira. 1958 - Análise estrutural com Ansys Workbench: Static Structural / Domingos Flávio de Oliveira Azevedo. Mogi das Cruzes: _____________, 2014. 78p. Bibliografia. ISBN: ___________________ 1. Análise estrutural 2. Elementos finitos 3. Engenharia auxiliada por computador I. Título. CDD - _________________ 3 LISTA DE ILUSTRAÇÕES Figura 1: Quantidade de transistores de cada processador Intel® ao longo do tempo. (Fora de escala). ......................................................................................... 10 Figura 2: Comparação entre a Lei de Moore e a real evolução de processadores Intel® ao longo do tempo. ............................................................................ 11 Figura 3: Evolução anual da velocidade de processamento na última década do século XX. ................................................................................................... 12 Figura 4: Similaridade entre um objeto e uma mola carregados axialmente. ........... 16 Figura 5: Similaridade entre as equações que determinam a força de um objeto e uma mola carregada axialmente. ................................................................ 17 Figura 6: Deslocamentos e forças nas extremidades de uma mola. ........................ 17 Figura 7: Dois elementos ou molas em série com rigidez, deslocamentos e forças diferentes. ................................................................................................... 17 Figura 8: Equação matricial do sistema de dois elementos em série. ...................... 18 Figura 9: Objeto unidimensional único com seus nós e grau de liberdade de um destes. ........................................................................................................ 19 Figura 10: Objeto bidimensional único com seus nós e graus de liberdade de um destes. ........................................................................................................ 19 Figura 11: Objeto tridimensional único com seus nós e graus de liberdade de um destes. ........................................................................................................ 19 Figura 12: Peça e conjunto de peças discretizadas, respectivamente. .................... 20 Figura 13: Gráfico de Convergência da tensão em função do número de Nós (modificado). ............................................................................................... 21 Figura 14: Dados de fratura biaxial do ferro fundido cinzento, comparados a vários critérios de falha. ......................................................................................... 23 Figura 15: Dados experimentais de tração superpostos a três teorias de falha. ...... 24 Figura 16: Programas associativos e não associativos com o Ansys Workbench. . 39 Figura 17: Definições de pré-processamento e pós-processamento no Ansys. ....... 40 Figura 18: Objeto geométrico definido com as condições de contorno á esquerda e discretizada á direita. .................................................................................. 41 Figura 19: Visualização de resultados de tensão e de deslocamento em uma peça. .................................................................................................................... 41 Figura 20: Janela de boas vindas do Ansys Workbench. ......................................... 42 Figura 21: Iniciando uma análise no Ansys Workbench. .......................................... 43 Figura 22: Importando uma geometria para a análise. ............................................. 44 Figura 23: Localizando o arquivo da geometria. ....................................................... 44 Figura 24: Iniciando a interface de análise. .............................................................. 45 Figura 25: Interface para a análise estrutural. .......................................................... 45 Figura 26: Atribuição das condições de contorno. .................................................... 46 4 Figura 27: Acessando a biblioteca de materiais. ...................................................... 47 Figura 28: Interface da biblioteca de materiais (Engineering Data). ......................... 48 Figura 29: Área de materiais do tipo selecionado (Engineering Data). .................... 48 Figura 30: Área de propriedades do material (Engineering Data). ........................... 49 Figura 31: Seleção do material e retorno ao projeto. ............................................... 49 Figura 32: Atribuição do material na interface de simulação. ................................... 50 Figura 33: Interface do ambiente do Static Structural. ............................................. 51 Figura 34: Barras de menus e de ferramentas. ........................................................ 52 Figura 35: Barra de ferramentas padrão detalhada. ................................................. 52 Figura 36: Barra de seleção de grupos detalhada. ................................................... 53 Figura 37: Barra de cálculo para conversão de unidades detalhada. ....................... 54 Figura 38: Barra de ferramentas gráficas, detalhada. .............................................. 54 Figura 39: Atualização da Barra de contexto............................................................ 55 Figura 40: Painel da árvore detalhada. .................................................................... 56 Figura 41: Painel de detalhes. .................................................................................. 57 Figura 42: Abas do Static Structural. ........................................................................ 59 Figura 43: Mechanical Application Wizard com as etapas de Simulação. ................ 60 Figura 44: Barra de status mostrando valores das entidades selecionadas. ........... 61 Figura 45: Iniciando uma análise no Ansys Workbench. (20 - Repetida). ................ 61 Figura 46: Interface para a análise estrutural. (24 - Repetida). ................................ 62 Figura 47: Na árvore aparecem as soluções escolhidas. ......................................... 63 Figura 48: Definições necessárias do tipo de carregamento. ................................... 64 Figura 49: Verificação das etapas realizadas no Mechanical Application Wizard. ... 65 Figura 50: Resultados de malha e tensões apresentadas na janela gráfica. ........... 65 Figura 51: Resultados de tensão de cisalhamento e deslocamento apresentados na janela gráfica............................................................................................... 66 Figura 52: Resultados de fator e margem de segurança apresentados na janela gráfica. ........................................................................................................ 66 Figura 53: Conjunto de pistão e biela de motor a combustão. ................................. 67 Figura 54: Lista de regiões de contatos entre as peças do conjunto pistão e biela.. 67 Figura 55: Relação de peças do conjunto mostrada na árvore. ...............................68 Figura 56: Condições de contorno aplicadas e apresentadas na janela gráfica....... 69 Figura 57: Discretização do conjunto. ...................................................................... 70 Figura 58: Processo de análise sendo executado pelo programa. ........................... 70 Figura 59: Resultado de tensão von Mises do conjunto apresentado na janela gráfica. ........................................................................................................ 71 5 Figura 60: Resultado de tensão von Mises do conjunto sem a visibilidade do pistão. .................................................................................................................... 72 Figura 61: Resultado de tensão von Mises visualizado com Iso Surfaces. .............. 72 Figura 62: Resultado de tensão de máximo cisalhamento do conjunto. .................. 72 Figura 63: Resultado de deformação do conjunto. ................................................... 73 Figura 64: Resultado de fator de segurança do conjunto. ........................................ 73 Figura 65: Aba do relatório para definições de cabeçalho e outros detalhes. .......... 74 6 LISTA DE ILUSTRAÇÕES ............................................................................... 3 INTRODUÇÃO ................................................................................................. 8 BREVE HISTÓRICO ........................................................................................... 8 EVOLUÇÃO DE HARDWARE ................................................................................ 9 A ANÁLISE ESTRUTURAL ........................................................................... 15 O MÉTODO DE ELEMENTOS FINITOS ........................................................ 16 ETAPAS DO MÉTODO ............................................................................... 18 Pré-processamento ................................................................................. 18 A geometria e a Malha dos componentes ............................................... 19 Preparação da geometria ........................................................................ 22 Os Materiais dos componentes ............................................................... 22 CONDIÇÕES DE CONTORNO ...................................................................... 25 O QUE SÃO AS CONDIÇÕES DE CONTORNO? ..................................................... 25 CONSIDERAÇÕES INICIAIS SOBRE AS CONDIÇÕES DE CONTORNO ........................ 25 ATRIBUIÇÃO DAS CONDIÇÕES DE CONTORNO .................................................... 25 A ANÁLISE ESTRUTURAL COM ANSYS WORKBENCH ............................ 27 CONDIÇÕES DE CONTORNO NO ANSYS WORKBENCH ........................................ 28 CONTATOS NO ANSYS WORKBENCH: ............................................................... 36 Tipos de contato ...................................................................................... 36 Bonded - Ligado ...................................................................................... 37 No separation - Sem separação .............................................................. 37 Frictionless - Sem atrito ........................................................................... 37 Rough - Áspero........................................................................................ 37 Frictional – Com atrito .............................................................................. 37 ANÁLISE NO ANSYS WORKBENCH ........................................................... 39 INICIANDO O ANSYS WORKBENCH ........................................................... 42 ATRIBUIÇÃO DAS CONDIÇÕES DE CONTORNO: ................................... 46 COMO ALTERAR O MATERIAL DAS PEÇAS NO ANSYS ......................... 47 7 INTERFACE DO AMBIENTE DE ANÁLISE ................................................... 51 DETALHAMENTO DAS REGIÕES DA INTERFACE .................................................. 52 Menus e Barras de Ferramentas ............................................................. 52 Painel da Árvore ...................................................................................... 56 Painel de Detalhes................................................................................... 57 Janela Gráfica ......................................................................................... 58 Abas da Janela Gráfica (Opções do documento) .................................... 58 Janela Mechanical Application Wizard .................................................... 59 Barra de Status ........................................................................................ 61 EXEMPLO 1 – ANALISE DE UMA PEÇA: .............................................................. 61 EXEMPLO 2 – ANALISE DE UM CONJUNTO DE PEÇAS: ........................................ 67 VALIDAÇÃO DOS RESULTADOS ......................................................................... 74 REFERÊNCIAS BIBLIOGRAFICAS .............................................................. 78 8 INTRODUÇÃO O programa Ansys Workbench é um dos vários programas de análises pelo método de elementos finitos existentes no mundo. Outros programas, por exemplo, são: Abaqus, Comsol, MSC Software, Visual Nastran, Adina, Lisa, etc. O Ansys Workbench se enquadra na categoria de programas de Engenharia Auxiliada por Computadores (CAE), Computer Aided Engineering e tem a finalidade de auxiliar o engenheiro nas decisões de algumas das etapas do desenvolvimento de projeto, em particular para o dimensionamento e a validação de projetos. De maneira geral os programas de CAE permitem: A redução do custo e tempo necessário no processo de desenvolvimento do projeto, pois é acelerado pela rapidez de análise. A otimização coerente da peça ou conjunto antes da sua fabricação reduzindo os custos associados ao material, á manufatura e final. A redução da probabilidade de falha dos componentes, pois uma eventual falha pode ser percebida antes de sua execução. O programa Ansys Workbench mostra os resultados graficamente na tela permitindo identificação visual da geometria e resultados facilitando a interpretação do que está ocorrendo na peça ou conjunto. Breve Histórico Segundo Robert D. Cook (1989 e 1994), citando outros autores, menciona que a partir de 1906, pesquisadores sugeriram uma “rede análoga” para análise de tensão. O contínuo foi substituído pelo padrão regular de barras elásticas. As propriedades das barras foram escolhidas de modo que causasse deslocamentos das juntas para aproximar os deslocamentos do contínuo. O método tentou aproveitar os bem conhecidos métodos de análise estrutural. R. Courant parece ter sido o primeiro a propor o método de elementos finitos, como o conhecemos hoje. Em uma palestra matemática de 1941 e publicada em um artigo de 1943, o matemático Courant usou o princípio da energia potencial estacionária e descreveu uma solução de interpolação polinomial por partes sobre sub-regiões triangulares para estudar o problema de torção de Saint-Venant. O seu trabalho não foi notado pelos engenheiros e o procedimento era impraticável no momento, devido à falta de computadores digitais. Na década de 1950, o trabalho na indústria aeronáutica, introduziu o método de elementos finitos (MEF) para a prática dos engenheiros, 9 quando em 1953 na Boeing Airplane Company havia um grande problema para resolver com 100 graus de liberdade. Um artigo clássico descreveu o trabalho com o MEF que foi solicitado por uma necessidade de analisar asas tipo delta, que erammuito curtas para ser confiáveis e utilizar a teoria das barras. Tradução do autor. (1), (2) O nome "elemento finito" foi cunhado em 1960 por Ray W. Clough, professor da University of California. Por volta de 1963 a validade matemática do MEF foi reconhecida e o método foi expandido a partir de seu início na análise estrutural, para incluir a transferência de calor, o fluxo de águas subterrâneas, campos magnéticos, e outras áreas. O computador de propósito geral para uso dos softwares de MEF começou a aparecer no final da década de 1960 e início de 1970. Exemplos de softwares incluem o ANSYS, ASKA, e NASTRAN. Ao final da década de 1980 os softwares estavam disponíveis em microcomputadores, completos com gráficos coloridos, pré e pós-processadores. Em meados da década de 1990 cerca de 40 mil artigos e livros sobre o método e suas aplicações haviam sido publicados. Tradução do autor. (1), (2). Evolução de hardware O aumento significativo da utilização destes tipos de programas na execução de análises se deve principalmente á crescente velocidade de processamento dos computadores nas ultimas décadas e á facilidade de acesso aos computadores pela redução de seu custo. Segundo Budynas, entre os principais avanços na tecnologia computacional tivemos a rápida expansão dos recursos de hardware dos computadores, eficientes e precisas rotinas para resolução de matrizes, bem como computação gráfica, para facilitar a visualização dos estágios de pré-processamento da construção do modelo, até mesmo na geração automática de malha adaptativa e nos estágios de pós-processamento de revisão dos resultados obtidos. (3) Nos gráficos a seguir mostram-se a evolução dos processadores pelo aumento da quantidade de transistores contidos em cada um, ao longo do tempo. 10 Figura 1: Quantidade de transistores de cada processador Intel ® ao longo do tempo. (Fora de escala). Sabe-se que a quantidade de transistores, entre outros fatores, influencia na rapidez de processamento do computador e desta maneira aumenta sua capacidade de resolução de cálculos mais rapidamente. Em meados de 1965, o presidente da Intel, Gordon E. Moore fez sua citação numa edição da revista Electronics Magazine, na qual a quantidade de transistores nos chips aumentaria em 60%, pelo mesmo custo, a cada período de 18 meses na década seguinte. Essa profecia acabou ganhando o nome de Lei de Moore. (4) A previsão de Moore se mostrou muito próxima da realidade dentro da década seguinte, mas conforme mostra o gráfico a seguir, ao longo das décadas posteriores a quantidade de transistores dobrou apenas cada 24 meses. ±1 Bilhão de transistores I3, i5 e i7 - 2008 731 milhões de transistores Haswell DEZ/2013 11 Figura 2: Comparação entre a Lei de Moore e a real evolução de processadores Intel® ao longo do tempo. Um dos principais problemas que impediu manter o ritmo de crescimento sempre foi o calor gerado pelo processador, pois com a redução de tamanho dos transistores e estreitamento das trilhas, exige necessidade da dissipação deste calor. Este problema também foi levantado por Moore na mesma entrevista para Electronics Magazine. Outros possíveis problemas que fez reduzir o crescimento para 24 meses, provavelmente, foi a necessidade de crescentes adaptações do sistema de produção dos processadores, o desenvolvimento de novas arquiteturas e o de pesquisas em materiais adequados a produção de trilhas muito estreitas. Com a nova geração de processadores Intel ® Haswell são utilizadas trilhas de até 22nm de espessura. Os preços de cada processador teve ao longo do tempo uma grande redução junto com os demais componentes de computadores, devido a melhorias no processo produtivo, aumento na produção e na demanda, mas o custo de desenvolvimento tem aumentado significativamente, limitando o crescimento no futuro próximo. N ú m e ro d e t ra n s is to re s e m u m c ir c u it o i n te g ra d o Número de transistores dobrando a cada 18 meses Número de transistores dobrando a cada 24 meses 12 (3) Figura 3: Evolução anual da velocidade de processamento na última década do século XX. No método de elementos finitos, toda estrutura é subdividida em partes denominadas elementos que são interligados por nós. A posição de cada um dos nós de um elemento e os graus de liberdade que este terá para movimentação é extremamente relevante para os cálculos realizados pelo software e quanto mais nós existirem, maior será a quantidade de cálculos a serem realizados. E a quantidade de nós depende diretamente da complexidade da estrutura e pode ser de apenas algumas dezenas até algumas dezenas de milhares de nós ou mais. Portanto, quanto mais complexa a estrutura, maior a quantidade de dados a serem processada pelo computador e mais demorada é a obtenção de resultados. A utilização do método de elementos finitos se faz através de softwares que exigem muito do hardware do computador, seja em processamento de dados, seja em armazenamento de informações, quanto em processamento de imagens. Esta dependência que os softwares de MEF (Método de Elementos Finitos) têm da configuração física dos computadores e do alto custo dos computadores retardou sua utilização mais intensa para segunda metade do século XX. Ao longo da segunda metade do século XX os computadores se desenvolveram bastante e seus preços reduziram, possibilitando que a utilização do método se tornasse viável com a fundação de empresas especializadas que desenvolveram softwares de MEF. F re q u ê n c ia d e p ro c e s s a m e n to (M H z ) 13 Em 1963, a empresa MSC (MacNeal – Schelender Company) é fundada e utilizando o software SADSAM (análise estrutural por simulação digital de métodos analógicos), que foi desenvolvido especificamente para a indústria aeroespacial e em 1965, a MSC foi envolvida fortemente com a NASA (National Aeronautics and Space Administration) desenvolvendo o software NASTRAN. A MSC é a desenvolvedora do software Adams de simulação estática e dinâmica. Em 1970, é fundada a ANSYS (Analysis Systems Incorporated) para desenvolvimento de softwares para uso de MEF em análise estrutural, sendo uma das maiores empresas do ramo. Fundada em 1975, a Computers and Structures, Inc. (CSI) desenvolveu diversos softwares para análises estruturais, inclusive o SAP2000 software muito utilizado na engenharia civil. Em 1978, a HKS Inc. desenvolve o programa Abaqus para análise estrutural e em 2005 é adquirida pela Dassault Systemes, empresa desenvolvedora dos softwares de desenho Catia para aeronáutica e Solid Works para desenhos em geral. Atualmente grande quantidade de empresas desenvolvem softwares que utilizam o método. A análise por elementos finitos que, originalmente foi desenvolvida para sólidos, atualmente é utilizada também na mecânica dos fluídos, transferência de calor, magnetismo, acústica, etc. Existem softwares especializados em um tipo especifico de tarefa ou análise, e softwares multifísicos que permitem combinar análises de tipos diferentes, por exemplo, análise de tensões e de transferência de calor ou análise magnética e de transferência de calor, entre diversos outros tipos de combinações. As principais vantagens do métododos elementos finitos sobre o cálculo pelo método analítico são as seguintes: Componentes com geometria complexa podem ser analisados, independente de sua complexidade, diferente do que ocorre com o cálculo analítico que é limitado a resolução apenas de geometrias simples. Componentes de diferentes formas e tamanhos podem ser associados formando uma geometria complexa e serem analisados considerando-se também o comportamento pelo contato entre os componentes. 14 Possibilidade de análise de componentes sobrepostos que possuam propriedades físicas diferentes. O método pode ser todo formulado matricialmente, facilitando sua implementação computacional. Na maioria dos casos com o auxílio dos softwares de CAE os resultados são obtidos rapidamente e boa aproximação com o método analítico. Podem-se criar vários modelos de análise cada um destes com uma condição em especial, permitindo assim uma verificação mais ampla das condições de funcionamento de um componente ou conjunto de componentes. Podem-se aprimorar as formas geométricas de componentes e assim reduzir quantidade de material e peso, reduzindo assim, o custo final de um conjunto sem o detrimento do desempenho. Em casos mais críticos, quando um componente é submetido á cargas cíclicas que podem causar sua fadiga, pode-se prever a vida útil pela quantidade de ciclos calculada pelo software. 15 A ANÁLISE ESTRUTURAL A análise estrutural é provavelmente a mais comum das aplicações do método de elementos finitos. O termo estrutural (ou estrutura) implica não só estruturas de engenharia civil como pontes e prédios, mas também naval, aeronáutica, estruturas mecânicas, cascos de navios, corpos de aeronaves, casas de máquinas, bem como componentes mecânicos como pistões, peças de máquinas e ferramentas. Tradução do autor, (5). Existem vários tipos de análises estruturais, entre estes os mais comuns são: análise estática, modal, harmônica, dinâmica transiente, etc. O presente trabalho se restringirá á aplicação do MEF em análise estrutural estática. A análise estrutural estática calcula os efeitos de condições de carregamento estático na estrutura, ignorando efeitos de inércia e amortecimento, tais como aquelas causadas por cargas que variam em função do tempo. A análise estática pode, entretanto, incluir cargas de inércia estática, como a aceleração gravitacional ou a velocidade rotacional. A análise estática pode ser usada para determinar os deslocamentos, tensões, deformações específicas e forças nas estruturas ou componentes causadas por cargas que não induzem significantes efeitos de inércia ou amortecimento. Assume-se que os carregamentos estáticos e respostas são aplicados lentamente em relação ao tempo. Os tipos de carregamentos que podem ser aplicados em análise estática incluem: Forças e pressões aplicadas externamente; Forças inerciais estáticas (como gravidade ou velocidade rotacional); Imposição de deslocamentos diferentes de zero; A análise estática pode ser linear ou não linear. Todos os tipos de não linearidades são permitidos, por exemplo, grandes deformações, plasticidade, tensão de rigidez, elementos hiper-elásticos e assim por diante. Além dos carregamentos estáticos, ou seja, que não variam com o tempo, pode-se aplicar cargas estáticas que são repetitivamente retiradas totalmente ou parcialmente e criam ciclos de tensões ao longo do tempo de maneira pulsante, variada ou alternada. Sabe-se que tais variações cíclicas de tensões causam fadiga nos materiais e falhas catastróficas, mesmo quando as tensões são bem menores que os limites para condições puramente estáticas. 16 O MÉTODO DE ELEMENTOS FINITOS Os programas de análises se utilizam das informações existentes nos arquivos dos desenhos feitos em programas de auxilio ao desenho com o computador (CAD) para definir os domínios da geometria, entre outras coisas, mas principalmente, simular a utilização peças ou conjuntos nas condições de utilização. Alguns programas como o Ansys também permitem que o desenho seja feito no próprio programa. Esta geometria da peça, que é originalmente contínua, é subdividida pelo programa de análise, em pequenos elementos, em uma quantidade finita, mantendo estes elementos interligados por nós, formando aquilo que denominamos malha, este processo chama-se Discretização. E é desta divisão da geometria em elementos que surgiu o termo “análise pelo método de elementos finitos”, pois é diferente do método analítico que utiliza infinitas partes. Na análise estrutural com MEF (Método de Elementos Finitos) cada um dos elementos é interpretado como uma mola que possui rigidez e tamanho predeterminado. Vide figura a seguir. Figura 4: Similaridade entre um objeto e uma mola carregados axialmente. 17 Portanto: Figura 5: Similaridade entre as equações que determinam a força de um objeto e uma mola carregada axialmente. Cada um dos elementos é analisado como se fosse uma mola e contribui para a formação das matrizes nos termos de carregamento, deslocamento e rigidez. Sendo que a rigidez depende das propriedades do material e geometria da peça. Vide figura abaixo. Figura 6: Deslocamentos e forças nas extremidades de uma mola. O conjunto dos elementos através dos nós comuns a eles formam a matriz global, com dois elementos, os nós de cada elemento e um grau de liberdade. Vide figura a seguir. Figura 7: Dois elementos ou molas em série com rigidez, deslocamentos e forças diferentes. 18 As condições de contorno globais (carga e apoios) são aplicadas aos nós. Figura 8: Equação matricial do sistema de dois elementos em série. Após discretizar a geometria, o programa poderá então, durante a análise montar a equação matricial com os vetores e matriz de rigidez para calcular o deslocamento de cada um dos nós e as tensões naqueles pontos. Quando um nó de elemento tiver mais de um grau de liberdade torna-se necessário o cálculo para cada grau de liberdade. Vide o trabalho “Cálculo de matrizes para elementos finitos”. A discretização pode ser feita pelo Ansys Workbench ou por outros softwares específicos para isto, como o Hipermesh ou Patran. A forma dos elementos dependerá da geometria e das configurações estabelecidas pelo usuário no software. ETAPAS DO MÉTODO A análise pelo método de elementos finitos se divide em três etapas distintas são elas: o pré-processamento, processamento (ou análise propriamente) e pós- processamento. No pré-processamento se deve definir: a geometria, tipo de análise, malha, propriedades dos materiais e condições de contorno. No processamento (ou análise) se deve definir (configurar) o tipo de análise desejada (utilizando equações lineares ou não lineares, e outras configurações) para obter os deslocamentos nodais. No pós-processamento se podem obter os resultados tais como, tensões, fluxo de calor, convergência, fatores de segurança, etc. Pré-processamento Denomina-se pré-processamento todas as definições estabelecidas antes da simulação que determinam o que será analisado e em que condição será feita a análise. 19 Na análise estrutural com MEF, o pré-processamento inclui a definição da geometria das peças, os materiais, a malha e as condições de contorno. A geometria e a Malha dos componentes Dependendo software utilizado para análise pode-se ter objetos unidimensionais, bidimensionais ou tridimensionais. Na grande maioria dossoftwares mais recentes trabalham-se objetos de superfície que são bidimensionais ou sólidos, que são objetos tridimensionais. Aos objetos unidimensionais se permite um grau de liberdade e bidimensionais se permitem três graus de liberdade de movimentação para cada nó de cada elemento, enquanto que objetos tridimensionais até seis graus. Elemento é a menor parte da geometria que dividida compõe a malha e nó é aquele que une cada elemento e pode também, eventualmente estar sobre este. Figura 9: Objeto unidimensional único com seus nós e grau de liberdade de um destes. Figura 10: Objeto bidimensional único com seus nós e graus de liberdade de um destes. Figura 11: Objeto tridimensional único com seus nós e graus de liberdade de um destes. Objeto bidimensional N N N Elemento NN Objeto unidimensional N N N N NN Elemento Objeto tridimensional 20 Os nós estarão sempre localizados nas extremidades das arestas e eventualmente sobre as arestas ou faces do elemento. A formação da malha se denomina discretização e na análise estrutural compreende a subdivisão dos objetos sejam peças ou conjuntos de peças em pequenas partes denominados elementos e dos respectivos nós interligando-os. Após a discretização tornam-se conhecidas as quantidades e tipos de elementos e nós. A discretização com a definição de forma, tamanho, posição e quantidade de elementos pode ser determinada pelo usuário do software, executada por um software específico para esta função ou pelo próprio software que realizará a análise. As formas e tamanhos de cada elemento podem ser iguais ou diferentes, dependendo da geometria do modelo. As formas mais comuns de elementos são barras para unidimensionais, triangular e quadrilateral para bidimensionais e para os elementos tridimensionais as formas; piramidal, tetraédrica e hexaédrica. Figura 12: Peça e conjunto de peças discretizadas, respectivamente. Na figura anterior pode-se ver à esquerda a malha em uma peça formada por 605 elementos e 1 337 nós, e à direita na figura pode-se ver a malha em um conjunto de peças formada por 10 094 elementos e 17 529 nós. Em ambos os casos os elementos são tetraédricos. Os cálculos estruturais podem ser feitos por métodos numéricos, como é o caso do método dos elementos finitos ou por métodos analíticos. Sabe-se que com o método analítico se obtém resultados exatos de tensão ou deformação, por exemplo, mas é inviável quando se tem geometrias complexas, interação de 21 Gráfico de Convergência 0 50 100 150 200 250 300 350 0 10 00 20 00 30 00 40 00 50 00 60 00 70 00 80 00 90 00 10 00 0 11 00 0 12 00 0 13 00 0 14 00 0 15 00 0 Número de Nós Te ns ão (M Pa ) MEF Exata Linear (Exata) materiais diferentes, etc., pois o seu cálculo é demais complexo e demorado quando é possível executá-lo. Os cálculos feitos com o método dos elementos finitos serão realizados pelo software para cada nó do modelo, portanto, quanto maior a quantidade de nós, maior a quantidade de cálculos a serem feitos, ou seja, maior quantidade de processamentos a serem feitos pelo computador e consequentemente, maior tempo para que software apresente os resultados da análise. Então, é razoável pensar que quanto menor a quantidade de nós no modelo melhor, pois o tempo de espera do usuário para que se tenham os resultados será menor. Entretanto, quando há grande quantidade de nós a aproximação entre resultados apresentados dos valores obtidos pelo método analítico será maior. Vide figura a seguir. Figura 13: Gráfico de Convergência da tensão em função do número de Nós (modificado). Fonte: Alves, 2003 (6). Tendo-se em conta ambos os aspectos deve-se ponderar sobre as características especificas de cada modelo, antes de decidir qual a melhor estratégia de simulação a ser adotada. Modelos com elementos maiores diminuem a quantidade total de nós e também diminuem a exatidão, se nas regiões críticas do modelo, onde se tem valores extremos de tensão, houver pouca quantidade de nós. 22 Preparação da geometria Uma maneira de reduzir a quantidade de nós da malha e consequentemente o tempo necessário de processamento é a preparação do modelo para análise. A esta preparação do modelo que incluem o seu exame crítico do componente ou conjunto. Em um modelo de peça, avaliam - se as características da peça, a seguir é possível remover toda característica de pouca influência na análise, se estiver posicionada distante dos locais de tensão extrema, e assim reduzir o tempo de processamento na análise, sem que os resultados sejam comprometidos. O mesmo se aplica em modelos de conjunto de peças montadas para análise, avaliam - se os tipos de componentes e o local onde estarão colocados. Se os componentes estiverem posicionados distantes dos locais de tensão extrema, provavelmente eles podem ser suprimidos da análise, sem que os resultados sejam afetados significativamente. Os Materiais dos componentes As propriedades do material definem as características estruturais de cada componente para uma simulação. E cada simulação pode ter um conjunto diferente de materiais para qualquer componente. Atualmente, os softwares oferecem uma grande quantidade de opções de materiais em suas bibliotecas, além de permitir que sejam acrescentados novos materiais ou alterem suas propriedades. As propriedades mais importantes na análise estrutural são o módulo de Young (módulo de elasticidade), o coeficiente de Poisson e os limites elásticos e de resistência do material. A definição dos materiais das peças é importante para a análise porque cada material e tipo de material terão suas propriedades mecânicas características. As características geométricas de cada componente e sua função mecânica no conjunto á que pertence geralmente, determinam as propriedades mecânicas necessárias e consequentemente, o tipo de material, os processos de fabricação e os tratamentos térmicos necessários para obtê-lo. 23 Para todos os casos a maioria dos softwares pressupõe que nenhuma das propriedades varia com a temperatura, com tempo ou com o volume do componente. Materiais frágeis como o concreto, vidro, ferro fundido, por exemplo, necessitarão de soluções adequadas a este tipo de material. Que considere a o fato de que em sua maioria estes materiais possuem caractaristicas não uniformes e, portanto, deve-se utilizar a teoria de máximo cisalhamento, Coulomb-Mohr ou de Mohr modificada, para obter resultados que assegurem o desempenho dos componentes sem falha quando submetidos a tensões e mantendo o menor volume possível de material e outros aspectos econômicos. Vide figuras a seguir. Figura 14: Dados de fratura biaxial do ferro fundido cinzento, comparados a vários critérios de falha. Fonte: Dowling, N. E. (1993) apud Norton, 2006 (7). Materiais do tipo dúctil terão comportamento uniforme, ou seja, o limite de escoamento tanto na tração, quanto na compressão será igual. Desta maneira, quando submetidos a tensões, as soluções mais adequadas serão aquelas que 24 utilizem a teoria da Energia de Distorção de von Mises e de máximo cisalhamento. Vide figura a seguir. Figura 15: Dados experimentais de tração superpostos a três teorias de falha. Fonte: Dowling, N. E. (1993) apud Norton, 2006 (7). Elipse de energia de distorção 25 CONDIÇÕESDE CONTORNO O que são as condições de contorno? Na análise estrutural as condições de contorno são os carregamentos, as restrições, cargas de corpos, tipos de contatos, etc. Ao se definir uma peça ou conjunto de peças montadas para análise, existem várias considerações e procedimentos que devem ser feitos que sejam preparatórias para análise denominadas, condições de contorno. Estas condições de contorno são fatores que influenciam o comportamento dos modelos de análise, alterando os resultados e devem ser atribuídos pelo usuário do software. Considerações iniciais sobre as condições de contorno As condições de contorno são imprescindíveis para a análise e fazem parte do pré-processamento, assim como, a geometria, o material de cada componente e a malha. Tanto quanto o pós-processamento, onde se avalia os resultados obtidos, o pré-processamento e em especial as condições de contorno exigem do engenheiro amplo estudo da peça ou conjunto de peças e como estes interagem ou são afetados pelas forças, apoios e outros fatores que influenciem sua resistência e desempenho para a função a que se destinam. Quanto mais próximas ou exatas forem aplicadas as condições de contorno das reais condições de trabalho da peça ou conjunto, mais confiáveis serão os resultados obtidos na análise. Atribuição das condições de contorno Avaliar quais são as cargas que hajem sobre componentes, a direção, sentido e intensidade. E também, quais são e onde estarão localizados os apoios, bem como, os tipos de contato entre os componentes de um conjunto são extremamente importantes para obter resultados confiáveis. Vale lembrar que o software de MEF se comporta como uma simples calculadora, ou seja, os resultados obtidos dependem das informações que recebe. Simplificando: se entra lixo, sai lixo. Ao engenheiro cabe definir exatamente quais as condições de contorno adequadas à análise (condições de contorno), pois os resultados dependem 26 diretamente destas condições, se necessário deve-se preparar vários modelos de análise para que seja possível avaliar os resultados. Avaliando-se como irá trabalhar a peça ou conjunto de peças deve-se, no software, atribuir cargas e apoios que mais se aproximem as condições reais de trabalho. Para isto, devem-se conhecer as ferramentas disponíveis existentes do software e para distinguir a aplicação de cada uma delas. Os carregamentos e apoios (restrições) podem, conforme a geometria da peça, serem aplicados em vértices (pontos), faces planas ou cilíndricas. As cargas de corpos (aceleração, rotação ou aceleração da gravidade) são aplicadas em todas as peças ou corpos. 27 A ANÁLISE ESTRUTURAL COM ANSYS WORKBENCH As etapas de procedimento para análise com Ansys Workbench são as seguintes: Inicia-se o Ansys Workbench e cria-se a geometria ou seleciona-se o arquivo que contém a geometria da peça ou conjunto a ser analisado. Acessando (Engineering Data) onde se encontram os materiais definidos para o projeto e depois a biblioteca de materiais do Ansys, escolhem-se quais os materiais dentre aqueles disponíveis farão parte da análise ou cria-se um material diferente daqueles existentes atribuindo as suas propriedades. Retorna-se a área de projeto e acessa-se no ambiente de simulação, Static Structural. Neste ambiente, escolhem-se as soluções conforme o tipo de material, se dúctil ou frágil. O usuário deve manualmente, selecionar as soluções desejadas e colocar os tipos de soluções mais comuns para este tipo de material. Aplicam-se as restrições (apoios) e carregamentos adequados nos locais desejados. Estabelece as condições de formação da malha e análise. Soluciona-se o modelo de análise e avaliam-se os resultados obtidos. O programa pode não realizar a análise por motivos tais como: Má formação dos elementos (devido geralmente aos erros geométricos), insuficiente espaço em disco ou memória RAM, informações insuficientes para as condições de contorno ou quando não forem definidas as soluções desejadas. 28 Condições de contorno no Ansys Workbench Especificamente no ambiente do Static Structural para análise estrutural do software Ansys Worbench pode-se atribuir as seguintes condições: MALHA – Em detalhes da malha pode-se configurar como a malha deve ser criada e tem efeito sobre todos os corpos da análise. Vide configurações na tabela. Tabela 1: Tipos de configurações em detalhes da malha Controle Valores / Opções Padrão / Tipo de especificação Relevance (Relevância) De -100 á +100 Padrão automático com ajuste de relevância. Sizing (Dimensionamento) Função avançada de dimensionamento Padrão desligado Centro de relevância Grossa (padrão), média e fina. Tamanho do elemento Zero (Padrão) ou a especificar Fonte do tamanho inicial Conjunto ativo, Completo ou peça base. Suavização Grossa, média (padrão) e fina. Transição Rápida (padrão) ou lenta. Ângulo de expansão Grossa (padrão), média e fina. Inflation (Inflação) Uso automático de inflação Desligado (padrão), Controlado pelo programa ou todas as faces na seleção nomeada escolhida. Relação de Transição 0,272 (padrão) ou qualquer valor entre zero e 1. Máximo de camadas 5 (padrão) ou qualquer valor maior que 1. Taxa de crescimento 1,2 (padrão) ou entre 1 e 5. Algoritmo de inflação Pré (padrão) ou pós. Opções avançadas de visualização Não (padrão) ou Sim. 29 Controle Valores / Opções Padrão / Tipo de especificação Patch Conforming Options (Opções do caminho de conformação) Discretizador triangular de superfície Controlado pelo programa (padrão) ou frente de avanço. Advanced (Avançado) Verificação de forma Padrão mecânico ou Agressivo mecânico. Nós intermediários dos elementos Controlado pelo programa (padrão), Verter ou manter. Elementos em lados retos Não (padrão) ou Sim. Número de tentativas Zero (padrão) ou qualquer valor entre -1 a 4. Tentativas extras para conjuntos Sim (padrão) ou não. Comportamento de corpo rígido Dimensionalmente reduzido (Automático). Transformação de malha Desabilitado (padrão) ou habilitado. Defeaturing (Descaracterização) Tolerância de Porção Definido pelo usuário Gerar porções na atualização Não (padrão) ou Sim. Descaracterização baseada em malha automática Ligada (padrão) ou desligada. Tolerância de descaracterização Zero (padrão) ou qualquer valor maior Statistics (Estatísticas) Nós e elementos Quantidades Métrica da malha Desligada (padrão), Qualidade do elemento, Relação de aspecto e vários outros. Além das configurações gerais da malha podem-se acrescentar algum outro tipo de controle de malha em um local em especial e adequá-la a necessidade através de “Mesh Control” na barra de contexto. Vide a seguir tabela com os tipos de configurações possíveis. 30 Tabela 2: Tipos de configurações da malha no menu Mesh Control Opções para Malha Local de aplicação Controle Valores / Opções Padrão / Tipo de especificação Method (Método automático) Todos os corpos Escopo Método de escopo Seleção de geometria (padrão) ou seleção nomeada. Geometria Peças inteiras Definição Suprimida Não (padrão) ou Sim. Método Automático Nós intermediários dos elementos Usar configuração global (padrão), Verter ou manter. Mesh Group (Grupo de malha) Corpos ou partes ? ? Atribuído pelo usuário. Sizing (Dimensionamento) Todos os corpos Escopo Método de escopo Seleção de geometria (padrão)ou seleção nomeada. Geometria Vértices, Arestas, Faces ou Peças inteiras. Definição Suprimida Não (padrão) ou Sim. Tipo Tamanho do elemento (padrão), Número de divisões ou esfera de influência. Tamanho do elemento Padrão (0) ou qualquer tamanho maior que zero. Comportamento Suave ou forçado Contact Sizing (Dimensionamento de contato) Conjuntos Escopo Região de contato Região de contato: Vértices, Arestas ou Faces. Definição Suprimida Não (padrão) ou Sim. Tipo Tamanho do elemento (padrão) ou Relevância. Tamanho do elemento Usuário define qualquer tamanho maior que zero. Refinament (Refinamento) Vértices, Arestas ou Faces Escopo Método de escopo Seleção de geometria Geometria Atribuído pelo usuário. Definição Suprimida Não (padrão) ou Sim. Refinamento De 1 a 3 atribuído pelo usuário. 31 Opções para Malha Local de aplicação Controle Valores / Opções Padrão / Tipo de especificação Mapped Face Meshing (Discretização mapeada de face) Faces Escopo Método de escopo Seleção de geometria (padrão) ou seleção nomeada. Geometria Atribuído pelo usuário. Definição Suprimida Não (padrão) ou Sim. Restrição de fronteira Não (padrão) ou Sim. Avançada Especificar lados Vértices atribuídos pelo usuário. Especificar cantos Vértices atribuídos pelo usuário. Especificar finais Vértices atribuídos pelo usuário. Match Control (Controle de início) Arestas e Faces Escopo Seleção de geometria alta Arestas ou faces atribuídas pelo usuário. Seleção de geometria baixa Arestas ou faces atribuídas pelo usuário. Definição Suprimida Não (padrão) ou Sim. Transformação Cíclica (padrão) ou arbitrária Eixo de rotação Sistema global de coordenadas Controle de mensagens Não (automático) Pinch (Fisgar) Vértices, Arestas ou Faces Escopo Seleção de geometria mestre Vértices, Arestas, Faces atribuídas pelo usuário. Seleção de geometria escrava Vértices ou Arestas, atribuídas pelo usuário. Definição Suprimida Não (padrão) ou Sim. Tolerância Atribuída pelo usuário Método de escopo Manual Componente para fisgar Pré (automático) ou Pós Inflation (Inflação) Faces ou corpos Escopo Método de escopo Seleção de geometria (padrão) ou seleção nomeada. Geometria Faces ou corpos atribuídos pelo usuário. Definição Suprimida Não (padrão) ou Sim. 32 Opções para Malha Local de aplicação Controle Valores / Opções Padrão / Tipo de especificação Escopo de método de fronteira Seleção de geometria (padrão) ou seleção nomeada. Fronteira Arestas selecionadas pelo usuário. Opção de Inflação Transição suave (padrão), Espessura total ou primeira camada da espessura. Taxa de transição 0,272 (padrão) ou de 0 a 1. Máxima quantidade de camadas 5 (padrão) ou de 1 e 1000. Taxa de crescimento 1,2 (padrão) ou 0,1 a 5. Algoritmo de Inflação Pré (automático) CARREGAMENTOS - A análise estrutural estática determina os deslocamentos, tensões, deformações e forças em estruturas ou componentes causadas por cargas que não induzem inércia significativa e efeitos de amortecimento. Condições de carga e resposta estáveis são assumidas, isto é, as cargas e as respostas da estrutura são assumidas variam lentamente com respeito ao tempo. A carga estrutural estática pode ser realizada utilizando o ANSYS ou solucionador Samcef. Os tipos de carga que podem ser aplicadas em uma análise estática incluem: Forças e pressões aplicadas externamente; Forças inerciais no estado de equilíbrio (como a gravidade ou a velocidade de rotação); Deslocamentos impostos (diferente de zero); Temperaturas (para tensão térmica). 33 Vide os tipos de carregamentos e suas configurações na tabela a seguir. Tabela 3: Tipos de carregamento e suas configurações Tipos de carregamento Geometria de aplicação Tipo temporal Definição Deve-se especificar Pressure (Pressão) Faces Estático ou harmônico Normal, Vetor ou componentes A geometria de aplicação (Local) e Intensidade Pipe Pressure (Pressão de tubulação) Apenas Linhas Estático ou harmônico Vetor A geometria de aplicação (Local), Direção, sentido e magnitude. Hidrostatic Pressure (Pressão hidrostática) Faces Estático Vetor ou componentes A geometria de aplicação (Local), Direção, sentido e magnitude da aceleração do fluído e Densidade do fluído. Force (Força) Vértices, arestas ou faces Estático ou harmônico Vetor ou componentes A geometria de aplicação (Local), Direção, sentido e magnitude. Remote Force (Força Remota) Vértices, arestas ou faces Estático Vetor ou componentes A geometria de aplicação (Local), Direção, sentido e magnitude. Bearing Load (Carga de rolamento) Faces cilíndricas Estático ou harmônico Vetor ou componentes A geometria de aplicação (Local), Direção, sentido e magnitude. Bolt Pretension (Pré-carga de parafuso) Faces cilíndricas ou corpos Estático Carga, ajuste ou aberto. A geometria de aplicação (Local) e Magnitude para carga, deformação para ajuste ou aberto. Moment (Momento) Vértices, arestas ou faces Estático ou harmônico Vetor ou componentes A geometria de aplicação (Local), Direção, sentido e magnitude. Generalized Plane Strain (Deformação generalizada de plano) Todos os Corpos (Apenas 2D) Estático Momento ou rotação Referência em X e Y A geometria de aplicação Todos os Corpos, Direção de rotação, sentido e magnitude. Line Pressure (Linha de Pressão) Arestas Estático Vetor ou componentes A geometria de aplicação (Local), Direção, sentido e magnitude. Thermal Condition (Condição térmica) Corpos Estático Temperatura Magnitude constante, tabelada ou função. Pipe Temperature (Temperatura de tubulação) Apenas linhas de corpos Estático Temperatura Magnitude constante, tabelada ou função. Carregamento interno ou externo. 34 Tipos de carregamento Geometria de aplicação Tipo temporal Definição Deve-se especificar Joint Load (Carga de junta) Apenas entre corpos Apenas para análise transiente ou dinâmica Carga cinemática Seleção da junta e magnitude Fluid solid interface (Interface sólida de fluido) Apenas faces Apenas para análise fluído dinâmica ou térmica. ------- Seleção de interfaces Detonation Point (Ponto de detonação) Apenas pontos Apenas para Dinâmica Explícita Através de material explosivo Coordenadas X, Y e Z do ponto RESTRIÇÕES – Existem várias opções para restringir estruturas disponíveis no programa. Estas restrições são apoios da estrutura que reagirão aos carregamentos impostos. A correta definição de apoios terá grande importância sobre os resultados a serem obtidos, portanto, estudar como representar os apoios da estrutura utilizando as opções disponíveis no programa, é muito importante. Vide Tabela 4. Destacam-se: Apoio fixo, Apoio sem atrito, Apoio apenas à compressão e Apoio cilíndrico, que são muito utilizados. O apoio fixo restringe integralmente o local de aplicação retirando todas as possibilidades de movimentação, sendo equivalente ao apoio de engastamento vistona disciplina de resistência de materiais. O apoio sem atrito é utilizado para evitar que uma face plana ou curva mova- se na direção normal. Em outras direções a estrutura não será restringida. O apoio apenas à compressão não restringe as faces selecionadas quando tracionadas. O apoio cilíndrico permite restringir ou liberar movimentos nas direções radial, axial ou tangencial de faces cilíndricas, e combinações destas opções. Nota: se nenhuma destas opções estiver livre, o apoio se comportará como fixo. Este tipo de restrição é muito utilizado em mecânica para representar apoios de mancais. 35 Tabela 4: Tipos de restrições e suas características Tipos de Restrições Locais de aplicação Tipo temporal Definição Deve-se especificar Fixed Support (Apoio Fixo) Vértices, arestas ou faces Estático Vetor ou componentes A geometria de aplicação (Local) Displacement (Atribuir deslocamento) Vértices, arestas ou faces Estático ou harmônico Componente s e Ângulo de Fase Deslocamento de cada uma das componentes (X, Y e Z) e também o Ângulo de Fase para harmônico. Remote Displacement (Deslocamento Remoto) Vértices, arestas ou faces Estático ou harmônico Componente s e Ângulo de Fase para harmônico Deslocamento de cada uma das componentes (X, Y e Z) e também o Ângulo de Fase para harmônico. Velocity (Velocidade) Vértices, arestas, faces ou corpos Estático ou harmônico Vetor ou componentes A geometria de aplicação (Local), Direção, sentido e magnitude. Impedance Boundary (Fronteira de Impedância) Faces (Apenas para Dinâmica Explicita) Estático Valores A geometria de aplicação (Local), Impedância do Material, Velocidade e Pressão de referência. Frictionless support (Apoio sem Atrito) Faces Estático ou harmônico Apoio sem atrito em faces A geometria de aplicação (Local) Compression Only Support (Apoio apenas à compressão) Faces Estático Apoio apenas à compressão A geometria de aplicação (Local) Cylindrical Support (Apoio Cilíndrico) Faces cilíndricas Estático Apoio cilíndrico A geometria de aplicação (Local) e entre Radial, Axial e Tangencial quais destes são livres ou fixos. Simply Supported (Apoio Simples) Apenas arestas ou vértices de superfícies Estático Apoio com rotação A geometria de aplicação (Local) Fixed Rotation (Fixação contra Rotação) Apenas faces, arestas ou vértices de superfícies Estático Apoio contra rotação A geometria de aplicação (Local) e entre Radial, Axial e Tangencial quais destes são livres ou fixos. Elastic Support (Apoio elástico) Faces Estático Apoio elástico A geometria de aplicação (Local) e Rigidez do local. 36 Tabela 5: Tipos de cargas inerciais de corpos e suas características Tipos de Cargas Locais de aplicação Tipo temporal Definição Deve-se especificar Aceleração Todos os corpos Estático Aceleração Direção, sentido e magnitude. Aceleração da gravidade Todos os corpos Estático Aceleração da gravidade Aceleração em uma das direções (X, Y e Z) e se negativo ou positivo. Velocidade Rotacional Todos os corpos Estático Vetor ou componentes A geometria de aplicação (Local), magnitude e eixo para vetor e também posição para componentes. Contatos no Ansys Workbench: Na análise estrutural de conjuntos há mais uma configuração nas condições de contorno á ser definida pelo usuário, esta configuração é o contato entre as peças. E de todas as condições de contorno existentes aplicadas a um conjunto de peças, aquilo que mais influencia os resultados obtidos é o tipo de contato. Quando o conjunto é inserido ou atualizado no ambiente do Static Structural do Ansys Worckbench automaticamente os contatos entre as peças são inferidos, se não for configurado de outra maneira, estarão Bonded (Colados). É possível aplicar contatos manualmente seja entre faces, seja entre arestas ou ainda de pontos de solda (Spot Welds). Os contatos podem ser configurados para que sejam detectados por uma distância mínima de proximidade atribuindo-se um valor de distância ou por relevância de -100 a +100, sendo -100 correspondente a maior distância e +100 menor distância. Também é possível configurar se os contatos devem ser Face/Face, Face/Aresta ou Aresta/Aresta e qual a prioridade para detecção automática. Tipos de contato No Ansys Workbench existem diferenças nas opções de contato e determinam como os corpos podem se mover em relação ao outro. A maioria desses tipos só se aplica a regiões de contato formadas por faces. Os tipos são: Bonded (Ligado ou colado), No separation (Sem separação), Frictionless (Sem atrito), Rough (Áspero) e Frictional (Com atrito). 37 Bonded - Ligado Esta é a configuração padrão para regiões de contato, sempre que se inicia o Static Structural (Ambiente de análise estrutural) de um conjunto de peças, este tipo é automaticamente inferido. Se as regiões de contato são ligadas, em seguida, nenhum deslizamento ou separação entre as faces ou arestas é permitido. Imagina- se a região como colada. Este tipo de contato permite uma solução linear já que o contato comprimento / área não mudará durante a aplicação da carga. Se o contato for determinado com o modelo matemático, eventuais lacunas serão fechadas e qualquer penetração inicial será ignorada. No separation - Sem separação Esta opção de contato é semelhante ao caso ligado. Ele só se aplica às regiões de faces. A separação das faces em contato não é permitida, mas pequenas quantidades de atrito de deslizamento podem ocorrer ao longo de faces de contato. Frictionless - Sem atrito Esta é a opção padrão de análise de contato unilateral, ou seja, a pressão normal é igual a zero se a separação ocorre. Só se aplica às regiões de faces. Assim, as lacunas podem formar-se entre os corpos, dependendo da carga. Esta solução não é linear porque as áreas de contato podem ser alteradas conforme a carga é aplicada. Um coeficiente zero de atrito é assumido, permitindo correr livre. O modelo deve ser bem restrito ao usar essa opção de contato. Molas fracas (Weak springs) são adicionadas ao conjunto para ajudar a estabilizar o modelo a fim de alcançar uma solução razoável. Rough - Áspero Semelhante à opção de atrito, esta opção de atrito áspero é perfeitamente adequada a modelos onde não há deslizamento. Só se aplica às regiões de faces. Por padrão, nenhum fechamento automático das lacunas é realizado. Este caso corresponde a um coeficiente de atrito infinito entre os corpos em contato. Frictional – Com atrito Nesta opção, o contato entre duas faces pode carregar tensões de cisalhamento até certa magnitude através de sua interface antes de começar a deslizar em relação ao outro. Só se aplica às regiões de faces. Este estado é conhecido como "aderente". O modelo define uma tensão equivalente de cisalhamento em que se desliza pela face começa como uma fração da pressão de 38 contato. Uma vez que a tensão de cisalhamento é excedida, as duas faces vão deslizar em relação à outra. O coeficiente de atrito pode ser qualquer valor não negativo. 39 ANÁLISE NO ANSYS WORKBENCH Para se utilizar das ferramentas para análise existentes no ambiente Static Structural do Ansys é imprescindível que se tenha um desenho de computador pronto que pode ser feitono próprio Ansys ou feito em qualquer um dos programas que o Ansys consiga obter informações do arquivo. Os tipos de arquivos que o Ansys consegue “ler” são aqueles feitos nos programas mostrados na figura abaixo, ou seja, UG, Parasolid, Acis, SolidWorks, Catia, Solid Edge, Mechanical Desktop e Autodesk Inventor. Os programas podem ser associativos ou não associativos com o Ansys. Os Programas associativos são: Inventor R5.3, R6, … 2014 Mechanical Desktop (v5 ou v6) Pro/ENGINEER (Creo) Solid Edge v12 e 14 SolidWorks 2001+, 2014 Unigraphics v18/NX Design Modeler/AGP 8 Programas Não-Associativos: CATIA v4 CATIA v5 (R2 – R10) Parasolid (14.1) ACIS (10.0) IGES r 4.0, 5.2, 5.3 Figura 16: Programas associativos e não associativos com o Ansys Workbench. A vantagem de utilização de programas associativos é que os programas se comunicam entre si podendo trocar informações para sua atualização instantânea, ou seja, além de entender as mudanças de geometria da peça, o Ansys também pode importar outras informações, tais como material, por exemplo, ou enviar informações para a melhoria da peça alterando forma, material, etc. Desenhos feitos no próprio Ansys no Design Modeler, ou seja, naturais do Ansys possuem a vantagem de serem mais bem compreendidos no momento da 40 análise e facilmente alterados, embora desenhos complexos sejam mais difíceis de serem desenhados no Ansys, que em softwares especializados em desenho. Após acessar o ambiente de análise do Static Structural do Ansys podem-se iniciar as definições necessárias para a simulação da peça ou conjunto de peças, outra opção para iniciar o Ansys automaticamente com os programas associativos citados é através do próprio programa de desenho e ir direto para o ambiente de análise. Na figura abaixo, são mostradas no painel da árvore (Outline) as definições relativas á análise do projeto da peça anterior, note-se que o processamento não é visível em Outline, pois esta etapa é um procedimento interno do software no cálculo das soluções requisitadas pelo usuário. Figura 17: Definições de pré-processamento e pós-processamento no Ansys. Pré-Processamento (Pós-processamento) 41 Nas figuras a seguir, se tem á esquerda as condições de contorno de uma peça com apoios e carga aplicada nos furos e a direita a mesma peça com a malha discretizada automaticamente pelo programa ANSYS. Figura 18: Objeto geométrico definido com as condições de contorno á esquerda e discretizada á direita. Nas figuras abaixo, se tem um exemplo de resultados da análise estrutural, onde á esquerda é mostrada a peça colorida, representando a variação de tensão nesta, tendo ao lado na legenda, uma barra colorida mostrando a correspondência entre as cores e a variação de tensão na peça. Á direita é mostrada a mesma peça e a deformação sofrida em decorrência das condições de contorno e da elasticidade do material da peça. Figura 19: Visualização de resultados de tensão e de deslocamento em uma peça. 42 INICIANDO O ANSYS WORKBENCH Nas versões recentes são mais de 20 possibilidades de simulação, enquanto que nas versões mais antigas como a V8 existiam apenas análise térmica e estrutural estática. Ao iniciar o Ansys Workbench abre-se a interface do projeto e uma janela orientando como iniciar um novo projeto nesta versão ou acessar os tutoriais, vide figura a seguir. Figura 20: Janela de boas vindas do Ansys Workbench. O texto da janela diz o seguinte: 1. Selecione o sistema de análise desejado a partir da Toolbox (á esquerda), arraste-o para o Project Schematic (á direita) e solte dentro do retângulo que aparecerá destacado. 2. Com o botão direito do mouse na célula de geometria para criar uma nova geometria ou importação geometria existente. 3. Continue a trabalhar através do sistema a partir de cima para baixo. Com o botão direito do mouse e selecione Editar em uma célula para iniciar a aplicação adequada e definir os detalhes para análise da peça. Quando você completar cada tarefa, uma marca de seleção verde é exibida na célula, o que indica que você pode avançar para a próxima célula. O ANSYS Workbench transfere automaticamente os dados entre as células. 43 Quando você selecionar Salvar (a partir da janela do ANSYS Workbench ou em um aplicativo), todo o projeto é salvo. Você pode conectar os sistemas para criar projetos mais complexos. Para mais informações, consulte Trabalhando em ANSYS Workbench. Nota: Para iniciar um tipo de análise pode-se dar duplo clique sobre aquele selecionado em vez de arrastá-lo para o retângulo. Exemplo com análise estrutural (Static Structural): Seleciona-se Static Structural e arrasta-se para o retângulo ou dá-se duplo clique sobre Static Structural. Figura 21: Iniciando uma análise no Ansys Workbench. Após deve-se selecionar ou desenhar a geometria (peça ou conjunto), neste exemplo será utilizado uma geometria pronta (peça). Para isto, clica-se como botão direito do mouse sobre geometria e seleciona-se “Import Geometry” > Browse... Vide figura a seguir. 44 Figura 22: Importando uma geometria para a análise. Localiza-se o arquivo da peça ou conjunto a ser utilizado na simulação e clica-se em abrir, conforme mostrado na figura a seguir. Figura 23: Localizando o arquivo da geometria. O ambiente de simulação pode ser iniciado clicando-se sobre “Model, Setup, Solution ou Results” com o botão direito do mouse na opção “Edit”. Vide figura a seguir. 45 Figura 24: Iniciando a interface de análise. O ambiente de simulação estrutural é iniciado e a peça ou conjunto é mostrado na janela gráfica. Vide figura a seguir. Figura 25: Interface para a análise estrutural. Como se podem perceber na figura anterior, várias novas ferramentas estão disponíveis nesta versão. Resume-se a seguir algumas informações importantes para melhor compreensão desta interface. 46 As definições das condições de contorno (cargas, restrições, etc.) são realizadas a partir de “Static Structural (A5)) em “Outline” a partir das ferramentas da barra de contexto e da área de detalhes. Também em “Static Structural (A5))” foi acrescentado “Analysis Settings” que permite ao usuário configurar a análise a partir da área de detalhes. As definições de soluções devem ser inseridas a partir de “Solution (A6)” em “Outline” uma á uma a partir das opções da barra de contexto. Também em “Solution (A6)” foi acrescentado “Solution Information” que resume as informações relacionadas as soluções, tais como, utilização de hardware, configurações que foram utilizadas para a solução. Ao iniciar o ambiente é atribuído automaticamente Aço Estrutural (Structural Steel) como material da peça(s) e se for necessário alterar, deve-se acrescentar o material a partir da janela do projeto (janela inicial que continuará aberta) em “Engineering Data” > “Edit”. Mais detalhes sobre este procedimento estão descritos adiante. ATRIBUIÇÃO DAS CONDIÇÕES DE CONTORNO: A atribuição das condições de contorno (Inerciais, Cargas, Restrições, etc.) se faz a partir dos menus da barra de contexto. Ao aplicar as condições o programa mostra na peça o local de aplicação e atribui um rótulo alfabético. Ao selecionar Static Structural serão mostradas todas as condições existentes na peça e aparecerá uma legenda alfabética com a identificação de cada uma. Vide figura a seguir. Figura 26: Atribuição dascondições de contorno. 47 COMO ALTERAR O MATERIAL DAS PEÇAS NO ANSYS Ao iniciar o ambiente é atribuído automaticamente Aço Estrutural (Structural Steel) como material da peça(s) e se for necessário alterar, deve- se acrescentar o material a partir da janela do projeto (janela inicial que continuará aberta) em “Engineering Data” > “Edit” com o botão direito. Ao realizar este procedimento aparecem as várias janelas como mostradas na figura a seguir. Figura 27: Acessando a biblioteca de materiais. Clicando com o botão direito sobre o campo mostrado na figura anterior aparece a opção “Engineering Data Sources” (Fonte de Dados de Engenharia) que é a biblioteca de materiais disponíveis no programa nesta versão. Nota: Podem-se acrescentar novos materiais também á esta biblioteca, conhecendo-se as propriedades destes. A janela de projeto estará dividida em várias áreas, cada uma delas tem uma função ou informação, são elas: Barra de Menus (Menu bar), Barra de Ferramentas (ToolBar), Caixa de Ferramentas (ToolBox), Painel de Fonte de Dados de Engenharia (Engineering Data Sources), Painel de Destaques (Outline Pane), Painel de Propriedades (Properties Pane), Painel Tabela da propriedade (Table Pane) e Painel Gráfico da propriedade (Chart Pane). Vide figura a seguir. 48 Figura 28: Interface da biblioteca de materiais (Engineering Data). Ao selecionar no Painel de Fonte de Dados de Engenharia (Engineering Data Sources) o tipo de material segundo suas características, por exemplo, Material de uso geral (General Materials), no Painel de propriedades serão listados os materiais do tipo. Vide figura a seguir. Figura 29: Área de materiais do tipo selecionado (Engineering Data). Lista de Tipos de materiais conforme características Lista de materiais do tipo selecionado Tabela da propriedade Propriedades do material selecionado Gráfico da Propriedade Caixa de Ferramentas Barra de menus Barra de Ferramentas 49 Ao selecionar um material as propriedades deste serão mostradas logo abaixo. Vide figura a seguir. Figura 30: Área de propriedades do material (Engineering Data). Após selecionar o material clicando na coluna B ou C do material. Vide figura a seguir. Deverá aparecer uma imagem de livro nesta coluna. E depois se clica em “Return to Project”. Figura 31: Seleção do material e retorno ao projeto. 50 Na janela da análise irá aparecer o novo material á ser atribuído á peça. Vide figura a seguir. É necessário clicar no nome da peça ver os detalhes da peça abaixo e para atribuir o novo material. Figura 32: Atribuição do material na interface de simulação. 51 Simulation Wizard Painel de Detalhes da Árvore Painel da Árvore Menus e Barras de Ferramentas Janela Gráfica Abas de Opções do Documento Barra de Status INTERFACE DO AMBIENTE DE ANÁLISE Na interface do ambiente do Static Structural existem regiões distintas, conforme mostrado na figura a seguir, nessas regiões se tem opções diferentes para executar procedimentos específicos. Os Menus e Barras de Ferramentas oferecem acesso a recursos de configuração do programa, visualização do modelo, seleção de entidades gráficas, seleção de peças por nome e atualização do modelo. Figura 33: Interface do ambiente do Static Structural. No Painel da Árvore são mostrados todos os modelos de simulação existentes e nestes modelos as suas peças, também são mostradas suas definições de pré e pós processamento, ou seja, malha, materiais, áreas de contato entre as peças, condições de contorno e soluções desejadas. No Painel de Detalhes da Árvore são mostrados todos os detalhes do item selecionado no Painel da Árvore, possibilitando alteração ou definição daquele item. Na Janela Gráfica, podem ser mostradas: a geometria, as condições de contorno, os resultados da simulação, além de prévias de impressão e relatório da simulação. Na janela Simulation Wizard se tem opções de orientação para montagem da simulação. Esta janela pode ou não ser mostrada conforme especificação do usuário. 52 Nas Abas do Documento se pode alternar a janela gráfica entre geometria, prévias de impressão e relatório da simulação. Na Barra de Status são mostradas as configurações de unidade de medidas, além de mostrar as medidas de uma determinada entidade quando selecionada, por exemplo, comprimento, área, volume. Detalhamento das Regiões da Interface Menus e Barras de Ferramentas Na região superior de interface do Static Structural detalhadamente têm-se os menus e barras de ferramentas. Conforme mostrado na figura abaixo. Figura 34: Barras de menus e de ferramentas. Na figura abaixo aparece a Barra de Ferramentas Padrão detalhada. Figura 35: Barra de ferramentas padrão detalhada. Os ícones mostrados na Barra Padrão oferecem as seguintes opções: Clicando em Simulation Wizard habilita ou não a janela de auxilio á simulação. O ícone Gerador de Objetos permite criar temporariamente objetos simples em análise de conjuntos. Simulation Wizard Criar Plano de Seção Comentário Planilha Gerador Mostrar Erros Resolver Figura Rótulo Gráfico / Tabela Inform. Seleção Barra de Menus Principal Barra de ferramentas de Contexto Barra de ferramentas Padrão Barra de ferramentas Gráficas Barra de ferramentas Gráficas de contorno Barra de ferramentas com Seleção de Grupo 53 Criar um grupo Selecionar itens do grupo Suprimir ou Habilitar grupo Nome do Grupo, alternar entre os grupos Controle de Visibilidade de itens O ícone Comentário, quando clicado, faz abrir uma janela para se inserir um comentário á uma peça ou qualquer outro item selecionado no Painel da Árvore, que aparecerá quando selecionado e também no Relatório da Simulação. Com o ícone Informação de Seleção pode-se visualizar informações principais do o objeto selecionado. Clicando no ícone Criar plano de seção podem-se seccionar objetos e visualizá-los internamente, inclusive com resultados. O ícone Gráfico / Tabela cria um gráfico ou tabela do item selecionado. O ícone Resolver inicia imediatamente a resolução da simulação predefinida. Clicando em Figura o programa insere no Painel da Árvore uma imagem capturada do item ativo na Árvore possibilitando também a sua visualização no Relatório de Simulação ou captura a imagem ativa da Janela Gráfica permitindo salvamento em arquivo para utilização em outros programas, por exemplo, Paint, Word, etc. Com ícone Rótulo habilitado pode-se anexar uma informação em um local específico da geometria. O ícone Mostrar Erros habilita a janela de mensagens e mostra lista com erros encontrados, que podem ser erros geométricos, de geração da malha ou de análise. A Planilha apresenta-lhe informações sobre objetos na árvore em forma de tabelas, gráficos e texto, complementando, assim, a ver os detalhes. A barra de ferramentas para Seleção de Grupos, mostrada na figura abaixo, permite especificar as peças, faces ou arestas para formação de um grupo, nomear este grupo, habilitar ou suprimir, controlar a visualização de peças do grupo. Figura 36: Barra de seleção de grupos detalhada. 54 Direção Rótulo Box / Simples Filtro de Seleção Ajuste Manipulação Aramado Olhar Para Janelas Adjacente Seleção de tipo Seleção Quantidade e unidade Base Conversão da quantidade e Seleção de unidade Para criação de um grupo de peças,
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