Modelagem e Simulação na Engenharia

Prévia do material em texto

Introdução à Engenharia
Edgar Brito
Modelagem e 
Simulação 
(Técnicas e 
Ferramentas 
Utilizadas)
Introdução
• Técnicas e ferramentas de modelagem e 
simulação, são utilizadas para facilitar e 
visualizar projetos antes de serem 
implementados.
• As vantagens: Custo de implantação, 
protótipos, visualização do problema, 
antecipação de prognósticos, etc.
• Estratégias em ambientes incertos e 
turbulentos.
• Necessidades na tomadores de decisão.
Subjetividades
• Processo de modelagem é mais do que 
simplesmente um processo mecânico, 
pois, seres humanos são racionalmente 
limitados e suas decisões e influenciados 
por uma série de questões de caráter 
subjetivo, relacionadas ao meio em que 
ele está inserido. 
Modelagem
O que é um modelo?
• É uma representação da realidade, 
porém muito mais simples!
• Modelos normalmente são constituídos 
para que o seu usuário tenha maior 
controle do sistema, para que entenda 
uma situação mais complexa e para que 
faça prognósticos 
• Não se pode modelar a realidade 
completamente, mas o mais próximo 
possível dela, daí o termo “Modelagem”
Tipos
Considerações
• Até a década de 60 eram usados somente 
meios lógicos e matemáticos de modelagem.
• Hoje, estímulos visuais por exemplo são 
utilizados como meios de modelagem.
• Exemplo: treinamento de piloto de aviões em 
simuladores computacionais.
• Experimentar com a realidade nem sempre é a 
melhor solução e pode ser desastroso devido a 
questões como custo, tempo, replicação, perigo 
e legalidade 
Fases de um processo de modelagem 
1. Formulação do Problema;
2. Construção de Modelos;
3. Obtenção de Solução;
4. Teste do Modelo;
5. Avaliação da Solução 
Todo processo racional, ou seja, que busca o melhor meio para se 
atingir um fim, sempre segue um padrão que é na verdade um 
desdobramento e adaptação do método científico clássico 
Simulação
• É um método empregado para estudar o 
desempenho de um sistema por meio de formulação 
de um modelo matemático.
• Modelo matemático para representar a dinâmica de 
um sistema e se seu comportamento imitando a 
realidade.
• A simulação é essencialmente um trabalho com 
analogias, que leva a uma outra afirmação: que 
modelos tentam imitar a realidade. 
Resumindo
A modelagem é o processo de criação de 
modelos; modelo é uma representação 
simplificada e explícita da realidade com 
algum propósito definido e, simulação é 
o processo de manipular o modelo de 
uma forma dinâmica, como um fluxo de 
entrada, processamento e saída de algo 
Caixa Preta de Novo!!!
Simulação e Controle
Ferramentas
• MathLab
• LabView
• CAD/CAM
• Catia, etc
Matlab
• MATLAB (MATrix LABoratory) é 
um software interativo de 
alta performance voltado para o cálculo 
numérico.
• O MATLAB integra análise numérica, 
cálculo com matrizes, processamento de 
sinais e construção de gráficos em 
ambiente fácil de usar onde problemas e 
soluções são expressos somente como eles 
são escritos matematicamente, ao contrário 
da programação tradicional. 
Síntese
• O MATLAB é um sistema interativo cujo 
elemento básico de informação é uma matriz 
que não requer dimensionamento. Esse 
sistema permite a resolução de muitos 
problemas numéricos em apenas uma fração 
do tempo que se gastaria para escrever um 
programa.
• Além disso, as soluções dos problemas são 
expressas quase exatamente como elas são 
escritas matematicamente. 
Estrutura
• É construído na linguagem MATLAB, chamada M-código 
ou simplesmente M.
• Quando o MATLAB é carregado, duas janelas são 
exibidas: a Janela de Comando (Command Windows) e 
Janela Gráfica (Graphic Windows).
• A Janela de Comando é ativada quando se inicializa o 
MATLAB, e o "prompt" padrão (>>) é exibido na tela. 
• MATLAB pode ser usado como um shell interativo de 
matemática.
• Seqüências de comandos podem ser guardadas em um 
arquivo de texto, tipicamente utilizando o próprio editor do 
MATLAB, como um script ou encapsulado em uma função, 
alargando os comandos disponíveis. 
Janela de comando
Formato do programa
Gráficos
Autodidata
Simulink
Desvantagens
• Os aplicativos criados só rodam no 
ambiente MATLAB. Logo, para executar 
programas em linguagem MATLAB é 
necessária uma licença por usuário 
(máquina). 
• Licença muito cara!
Alternativas
Softwares livres
• Octave
• Scilab
• Freemat
Labview
• O LabVIEW (acrônimo para Laboratory Virtual 
Instrument Engineering Workbench)
• É uma linguagem de programação gráfica 
originária da National Instruments.
• A primeira versão surgiu em 1986 para 
o Macintosh e atualmente existem 
também ambientes de desenvolvimento 
integrados para os Sistemas 
Operacionais Windows, Linux e Solaris. 
Estrutura VI (Virtual Instrum.)
• Os blocos de funções 
são designados por 
instrumentos virtuais. 
Isto é assim porque, em 
princípio, 
cada programa (Sub-IV) 
pode ser usado como 
sub-programa por 
qualquer outro ou pode, 
simplesmente, ser 
executado 
isoladamente. 
Cont...
• O Painel Frontal (Front Panel)
• O Diagrama de Blocos (Block Diagram)
Como exemplo colocou-se 3 objetos típicos do "Control Panel", botão 
rotativo, interruptor, LED.
Exemplo
Estrutura de ligação do 
diagrama de blocos
• As estruturas em 
linguagem G são 
colocadas no Block 
Diagram. 
Desvantagens
• Pequenas mudanças podem ocasionar 
profundas reestruturações do programa, uma 
vez que sempre que se insere um novo bloco é 
necessário voltar a ligar os fios e os símbolos 
para restabelecer o funcionamento.
• Para evitar confusões de linhas é habitual 
introduzir mais variáveis do que aquelas que 
são estritamente necessárias, diminuindo-se 
assim a velocidade de programação e 
contrariando-se, de algum modo, o modelo de 
fluxo de dados.
CAD
• Desenho auxiliado por computador (DAC) 
ou CAD (do inglês: computer-aided design) é o 
nome genérico de sistemas computacionais 
(software) utilizados pela engenharia, geologia, 
geografia, arquitetura, e design para facilitar o 
projeto e desenho técnicos.
• No caso do design, este pode estar ligado 
especificamente a todas as suas vertentes 
(produtos como vestuário, eletroeletrônicos, 
automobilísticos, etc.), de modo que os jargões 
de cada especialidade são incorporados na 
interface de cada programa. 
Considerações
• Estes sistemas fornecem uma série de 
ferramentas para construção de 
entidades geométricas como: linhas, 
curvas, polígonos
• Objetos tridimensionais (cubos, 
esferas, etc.).
• Também disponibilizam ferramentas 
para relacionar essas entidades ou 
esses objetos, por exemplo: criar um 
arredondamento (filete) entre duas 
linhas ou subtrair as formas de dois 
objetos tridimensionais para obter um 
terceiro. 
Autocad
• É o mais utilizado no mundo. Criado e comercializado 
pela Autodesk, Inc. desde 1982.
• É utilizado principalmente para a elaboração de peças 
de desenho técnico em duas dimensões (2D) e para 
criação de modelos tridimensionais (3D).
• Além dos desenhos técnicos, o software vem 
disponibilizando, em suas versões mais recentes, vários 
recursos para visualização em diversos formatos.
• É amplamente utilizado em arquitetura, design de 
interiores, engenharia civil, engenharia 
mecânica,engenharia geográfica , engenharia elétrica e 
em vários outros ramos da indústria. 
Outros softwares de CAD
• Outros programas bastante utilizados
• Solid Edge
• Solid Works
• Catia
• etc.
Engenharia assistida por computador -
CAE
• Engenharia Auxiliada por 
Computador ou Computer Aided 
Engineering(CAE) é uma ferramenta de 
trabalho que utiliza o computador para dar 
suporte à engenharia auxiliando-a 
no desenvolvimento de projetos, por meio de 
análises predefinidas, tais como: 
análises estáticas,dinâmicas, térmicas, magnétic
as, de fluidos, acústicas, 
de impacto e simulações, fazendo do CAE uma 
ferramenta poderosa para redução de custos de 
um projeto e minimizado o tempo de 
lançamento do produto final. 
Definições
• O CAE está sustentado em ferramentas 
de CAD avançadas.
• Permitem definir as dimensões do produto 
concebido
• Como materiais, acabamentos, processos 
de fabricação e de montagem e até 
interações com elementos externos, 
como forças aplicadas, temperatura, etc. 
Outras funções
• Pode criar protótipos virtuais dos produtos, simulando 
sobre eles as condições de uso.
• Efetuar estudos prévios do fabrico sobre aspectos tais 
como; a estabilidade, resistência e outros 
comportamentos.
• Empregam-se amplas bases de dados e técnicas de 
análise por elementos finitos, programadas em módulos, 
que se integram nas ferramentas de CAD/CAE.
• O CAE pode ser utilizado na elaboração de um projeto
• Análise e avaliação dos níveis do produto, verificado o 
produto quanto á sua funcionalidade, encaixes e design, 
podendo reavaliá-los; permite a verificar se as 
necessidades são compatíveis com a capacidade de 
produção.
• Redução drástica do tempo gasto com cálculos 
operacionais.
Ferramentas de CAE
• O processo principal do CAE é o Método de 
análise por Elementos Finitos (MEF), mas 
existem outras como por exemplo 
a simulação mecânica do evento (MES), 
fluidodinâmica computacional térmica e 
fluida da análise de fluxo (CFD). 
Softwares empregam CAE
• O software CATIA possui ferramentas de design, análise e 
simulação, que permitem aos engenheiros a possibilidade 
de prever o comportamento dos produtos a fabricar.
• Os softwares como LS-DYNA da LSTC e PAM-
CRASH da ESI são usados para os ensaios 
de crashtests de automóveis e a segurança dos 
ocupantes.
• Outras ferramentas como Altair HyperWorks, MSC’s 
Patran, MSC’s ADAMS, SIMPACK, NEi Nastran, UGS’s 
Scenario e Nastran packages são usados em uma 
variedade de tarefas estruturais e dinâmicas de análise.
Catia
Vantagens
• O tempo e o custo de projeto são menores.
• Melhoramento do produto e as suas possíveis correções 
podem ser realizadas de forma mais rápida e segura.
• Pode-se corrigir e testar um projeto, evitando assim a 
construção de um protótipo.
• A realização de cálculos complexos na fase de 
engenharia por computador é agilizada.
• Reduz os custos de fabricação do produto na indústria;
• CAE permite uma maior confiabilidade e qualidade para 
o produto;
• Permite um aumento da competitividade.
Desvantagens
• Necessita de estações de trabalho dedicadas para 
realização dos cálculos complexos;
• Os sistemas de CAE não mostram qual o problema, 
apenas processam e exibem os resultados que por sua 
vez necessitam de passar por uma mão-de-obra 
especializada para interpretá-los;
• Nem sempre a utilização de protótipos pode ser 
descartada totalmente, pois não é possível realizar 
todas as simulações necessárias a fim de assegurar a 
qualidade do produto final através do software;
• O custo do CAE costuma ser alto, dependendo de sua 
finalidade;
• Muitas ferramentas do CAE integram ferramentas 
do CAD, mas problemas de integração com outras 
aplicações, como por exemplo, o CAM, costumam 
ocorrer.
CAM
• Computer Aided Manufacturing (CAM), 
ou Manufatura Auxiliada por 
Computador contrapondo-se ao CAD, e 
ao CAE
• Qualquer processo auxiliado por 
microcontrolador ou controlador numérico 
com uma interface direta a um 
computador, pode ser considerado um 
CAM, como p. ex. os tornos com CNC.
Definições
• Os sistemas CAM trabalham tendo como base 
modelos matemáticos provenientes do sistema 
CAD.
• Através desses modelos os sistemas geram um 
arquivo de caminho de ferramenta que através do 
pós-processador (software que gera o programa do 
comando específico da máquina).
• Através dos sistemas de CAM é possível tranferir 
todas as coordenadas para que as máquinas 
(CNC, etc.) efetuem as usinagens da peça.
Conclusão
• O uso e o conhecimento de ferramentas 
computacionais nas atividades da 
engenharia principalmente em controle e 
automação é fundamental no 
desenvolvimento profissional.
• Principalmente na formação do 
engenheiro com foco na Aplicação e 
Desenvolvimento.