Introdução à Simulação na Engenharia

Prévia do material em texto

Introdução à Engenharia
 
 SIMULAÇÃO
Prof. Amilton H. Serravite
– Simulação
 Conteúdo da Unidade:
 O que é a simulação
 Tipos de simulação
 O computador na Engenharia – Simulação 
computacional
 Bibliografia da Unidade:
 BAZZO, W.A., “Introdução à Engenharia”, 6ª ed., 
Santa Catarina: Editora da UFSC, 2002. – 
Capítulo 6.
 Simulação é uma atividade subseqüente ao 
processo de modelagem. 
 Simular é submeter modelos a ensaios, sob 
diversas condições, para observar como 
eles se comportam. 
 A simulação agiliza o processo de solução 
de problema.
O que é simulação?
A simulação é uma técnica utilizada pelos 
engenheiros para estudar o comportamento 
e reações de um determinado sistema por 
meio de modelos, que imitam na totalidade 
ou em parte as propriedades e 
comportamentos deste sistema em uma 
escala menor, permitindo assim sua 
manipulação e estudo detalhado.
Simulação
O que é Simular?
 Simular é submeter modelos a ensaios, sob diversas condições, 
para observar como eles se comportam. Assim avalia-se a 
resposta que deve ser esperada do SFR.
 A simulação pode envolver protótipos – primeiros exemplares de 
um produto construídos para testes – ou modelos submetidos a 
ambientes físicos reais.
 Para simular um SFR em operação, quer por experimentação 
em laboratório ou em campo, quer através de simulações 
matemáticas, é necessário que sejam adotadas hipóteses 
simplificativas desta realidade física.
 A simulação é uma ferramenta que permite a comparação de 
diferentes soluções (projetos), com redução nos custos, prazos 
e riscos.
Um bom exemplo de 
simulação é aquele 
usado na indústria 
aeronáutica, onde a 
aerodinâmica dos aviões 
em projeto é testada em 
túneis de vento por meio 
de pequenas maquetes 
que apresentam o 
mesmo formato do 
avião, ou seja, é o 
"modelo" do avião real. 
Simulação
Esta técnica é muito aplicada, 
pois seria completamente inviável 
construir todo o avião e tentar 
fazê-lo voar com pilotos. A perda 
de vidas e investimentos seria 
enorme e certamente nossos 
aviões não seriam como hoje os 
conhecemos se não fosse usada 
a simulação.
Simulação
Razões e situações que justificam a 
Simulação 
A evolução da informática nos últimos anos tornou o 
computador um importante aliado da simulação. A 
simulação por computador é usada nas mais diversas 
áreas, citando como exemplos as análises de previsão 
meteorológica, dimensionamento de processos 
produtivos, treinamento de estratégia para militares e 
pilotagem de veículos ou aviões. Até mesmo o estudo 
aerodinâmico, antes feito por maquetes, hoje pode ser 
realizado pelo computador.
Simulação
Benefícios gerados pela Simulação
Com o uso do computador na simulação, pode-se reduzir 
custos de fabricação, montagem e testes com modelos. 
Além disto, a simulação permite observar as limitações 
do sistema que está sendo analisado, prevendo-se sua 
capacidade máxima e seu desempenho sob as mais 
diversas situações.
Simulação
Benefícios gerados pela Simulação
A simulação do 
enchimento de um 
molde com metal 
líquido é um exemplo 
de simulação que reduz 
custos com moldes, 
material e energia.
Simulação
Benefícios gerados pela Simulação
A simulação de processos permite que se faça uma 
análise do sistema em questão sem a necessidade de 
interferir no mesmo. Todas as mudanças e 
conseqüências, por mais profundas que sejam, 
ocorrerão apenas com o modelo computacional e não 
com o sistema real
Simulação
Trata-se de um 
estudo de baixo 
custo, visto que 
todo o trabalho 
de 
implementação é 
testado no 
computador, 
permitindo ainda 
o teste de 
inúmeros 
cenários e 
alternativas de 
solução para o 
sistema em 
estudo.
Benefícios da Simulação
Tipos de Simulação
ICÔNICA
 ANALÓGICA
 MATEMÁTICA
Em primeiro lugar, vamos revisar os conceitos de modelo 
icônico:
 Modelo icônico é aquele que representa, da forma mais fiel 
possível, o sistema físico real (SFR).
 Sua característica básica é o alto grau de semelhança com o 
seu equivalente real.
 Tem como objetivo comunicar informações que permitam 
transmitir como era, é ou será o SFR.
 Vantagem – possibilidade de aperfeiçoamentos que 
melhorem a segurança de operação e manutenção, ou definir 
de forma realística detalhes construtivos
Simulação Icônica
Tipos de Simulação
A simulação icônica baseia-se em um modelo icônico, onde o 
SFR é representado através de modelos físicos – geralmente 
com dimensões diferentes das reais – com o propósito de 
verificar como ele funcionará.
Exemplo:
iv) Um túnel de vento montado para simular os efeitos 
aerodinâmicos sobre uma aeronave ou sobre uma superfície de 
um veículo;
Simulação Icônica
Tipos de Simulação
O modelo de um rotor de Savonius
Simulação Icônica
Tipos de Simulação
Após gerados os mais diversos 
resultados das simulações com 
o modelo em escala reduzida, 
pode-se então partir para a 
construção do equipamento em 
tamanho real, como o gerador 
mostrado ao lado, que funciona 
com um rotor de Savonius
Tipos de Simulação
Simulação Icônica
Simulação Analógica 
Na simulação analógica é feita a comparação de 
alguma coisa não familiar, ou de difícil manipulação, 
com outra familiar, ou de fácil manuseio. Ou seja, é 
feito um sistema comportar-se de modo análogo a 
outro.
Uma característica básica desta forma de simulação é 
a pouca semelhança existente entre os dois sistemas - 
o análogo e o real 
Tipos de Simulação
Simulação Analógica 
Exemplos:
1) A água representando o ar passando pela asa no modelo 
de avião;
2) um sinal de tensão elétrica pode representar a pressão do 
vapor em uma turbina;
3) uma bolha de sabão pode fornecer informações sobre as 
tensões em um eixo em rotação;
Tipos de Simulação
Simulação Analógica 
4) Um amortecedor - utilizado em sistemas de suspensão de 
automóveis de passeio - pode ser simulado por um sistema 
elétrico, onde a corrente representa a velocidade do pistão, 
resistência, o atrito do pistão e a força aplicada é representada 
pela diferença de potencial elétrico medida nas extremidades 
da resistência (Figura). Variando a corrente elétrica varia-se a 
tensão, o que simula a intensidade de força necessária para 
cada velocidade do pistão. Assim, sem construir amortecedor, 
pode-se selecioná-lo para uma dada aplicação. 
Tipos de Simulação
Simulação Analógica 
Simulação analógica - sistema mecânico e elétrico. 
Tipos de Simulação
Simulação Analógica 
5) O fluxo de calor que passa através de uma parede de 
espessura L, com uma temperatura T1 na superfície esquerda 
e T2 na direita, pode ser simulado por um sistema elétrico 
onde T1 e T2 são representadas, respectivamente, pelas 
tensões elétricas V1 e V2 e a resistência térmica [L/(KA)] da 
parede, pela resistência elétrica R (Figura 6.8). Assim, 
variando R pode-se simular diversas formas de isolamento, por 
exemplo, de um refrigerador. Além disto, pode-se simular, por 
exemplo, o efeito de várias camadas de isolamento unidas em 
série, pela associação em série de diferentes resistências 
elétricas. 
Tipos de Simulação
Simulação Analógica 
Fig. 6.8 Simulação analógica - sistema térmico e elétrico. 
Tipos de Simulação
Simulação Matemática 
A simulação do SFR usando a modelagem matemática é 
um instrumento de previsão muito útil, onde as 
características essenciais dos elementos idealizados são 
descritas variáveis e equações matemáticas.
Deve-se ter em mente que os SFRs são, em geral, 
complexos e que, criando um modelo matemático, 
simplifica-se o sistema a ponto de poder analisá-lo 
convenientemente e com mais facilidade.
Tipos de Simulação
Exemplo: Na acima estámostrado um reservatório de um 
fluido qualquer utilizado na indústria. O problema consiste em 
se determinar a vazão Q pelo orifício do fundo, em função da 
altura H do líquido no reservatório. Parte-se do pressuposto de 
que a altura H deva ser mantida constante, o que é conseguido 
adequando a vazão de entrada à de saída. 
Fig. 6.9 Modelo diagramático de um reservatório de líquido. 
Tipos de Simulação
Exemplo: (continuação)
Analisando o caso, e considerando que H deve ser 
constante, pode-se perceber que as energias nos pontos 1 
e 2 serão iguais.
Considerando que o escoamento ocorre sem viscosidade, 
pode-se empregar a equação de Bernoulli para representar 
o que foi acima descrito, já que por meio desta expressão é 
estabelecido que a energia entre dois pontos de uma linha 
de corrente deve permanecer constante, o que se aplica ao 
presente caso.
Tipos de Simulação Matemática
Simulação Matemática 
O modelo matemático - equação de Bernoulli - que 
representa esta igualdade e pode ser assim descrito:
2
2
22
1
2
11
22
gzvPgzvP ++=++
ρρ
onde p é a pressão, v a velocidade, g a aceleração da gravidade, ρ a massa 
específica e z a posição vertical do ponto. 
Exemplo de Simulação Matemática 
Tipos de Simulação
Simulação Matemática 
A introdução do computador no processo de projeto tem se 
revelado um excelente auxílio ao engenheiro pois à, 
medida que os produtos vão ficando mais complexos, a sua 
modelagem também exige tratamentos mais detalhados. 
O projeto deixou de ser uma atividade individual, tornando-
se um trabalho de equipe, exigindo a reunião de um grupo 
de indivíduos especializados na abordagem de problemas 
específicos. 
Tipos de Simulação
O computador na Engenharia
 Simulação computacional
O computador na Engenharia
 Simulação computacional
A utilização de computadores como ferramenta de 
trabalho para simular SFRs pode ser aplicada em vários 
ramos profissionais. 
Os benefícios do uso de computadores são inúmeros, 
tais como:
aumento da produtividade
aumento da qualidade de produtos
minimização do custo final do produto
melhoria no gerenciamento de projetos
Tipos de Simulação
Tipos de Simulação
O computador na Engenharia
 Simulação computacional
• (A) A malha de Elementos (B) Aplicação de carregamento
• (C) Análise e apresentação de resultados
Tipos de Simulação (Computacional – CAE)Tipos de Simulação: sistemas CAE
Unidade IV –Simulação
Tipos de Simulação: sistemas CAE
(D) Análise cinemática de trem de pouso (E) Análise cinemática de mecanismo suporte
Tipos de Simulação: sistemas CAE
Termofluidodinâmica Teórico Experimental
Estratificação Térmica Monofásica 
Fase 1 - Modelagem numérica termofluidodinâmica 
com CFX 
Otimização da modelagem numérica (malha, 
modelos de turbulência e de parede, etc.)
Validação do Cálculo
Estratificação Térmica Monofásica 
Fase 1 - Modelagem numérica termofluidodinâmica 
com CFX 
Otimização da modelagem numérica (malha, 
modelos de turbulência e de escoamento 
próximo à parede etc.)
Exemplo de simulação Computacional
 Algumas ações e cuidados por parte do engenheiro são 
importantes para se conduzir uma boa simulação. Vejamos 
algumas delas:
2. Formule o problema corretamente. Levante todas as 
informações a respeito do problema! 
3. Estude as metodologias de simulação!
4. Obtenha informações consistentes sobre os procedimentos 
operacionais do sistema. Não se esqueça que os resultados 
são fortemente dependentes dos dados de entrada!
5. Modele adequadamente os fenômenos aleatórios do sistema 
em estudo. Veja os cuidados necessários na unidade 3 desta 
disciplina!
CONDUZINDO UMA BOA SIMULAÇÃO
1. Escolha o software mais adequado e utilize-o de forma 
correta! São muitos os softwares de simulação disponíveis 
no mercado. Avalie as vantagens e desvantagens de 
adoção de cada um antes de aprofundar o seu 
conhecimento em algum!
2. Estabeleça a validade e credibilidade do modelo utilizado.
3. Utilize os procedimentos adequados para analisar os 
resultados gerados na simulação!
4. Não se esqueça de que a simulação é imprecisa, pois 
trabalha sobre modelos, que são representações da 
realidade.
CONDUZINDO UMA BOA SIMULAÇÃO