Análise de Elementos Finitos: O Que É e Como Funciona?

Você já se perguntou como engenheiros e fabricantes testam a durabilidade, resistência e segurança de seus projetos? Se você já assistiu a um comercial de carro, pode acreditar que engenheiros e designers destroem continuamente seus produtos para testar a resistência. Você pode concluir que os fabricantes repetem esse processo até que o design possa suportar uma quantidade tremenda de danos e atinja um ponto aceitável de durabilidade. Mesmo que custe milhões às empresas testar e destruir seus conceitos, essa é a única maneira de provar a durabilidade de um produto, certo? A resposta para isso é sim e não. Embora os engenheiros quase sempre testem o design final de um produto fazendo-o interagir com forças físicas reais, engenheiros e fabricantes também usam software de engenharia assistida por computador (CAE) para otimizar a resistência e durabilidade antes de realmente testá-lo. O processo de usar software para testar como um produto reage a forças do mundo real é chamado de análise de elementos finitos (FEA). O que é análise de elementos finitos? A análise de elementos finitos usa equações matemáticas complexas, modelos e simulações para entender como os objetos interagem com forças físicas. Isso ajuda os engenheiros a entender a durabilidade dos objetos e como otimizá-la. Embora a FEA contenha uma série de etapas complexas, ela pode ser dividida em um único objetivo: testar os efeitos dos estressores em um objeto. Por que usar análise de elementos finitos? Existem várias maneiras pelas quais a análise de elementos finitos pode ajudar engenheiros e fabricantes a acelerar as funções principais de seus trabalhos diários. A análise de elementos finitos reduz drasticamente os custos de fabricação. Historicamente, engenheiros e fabricantes tinham que redesenhar manualmente objetos várias vezes até que os engenheiros estivessem certos de que o design final permaneceria intacto sob estresse físico. Isso exigia muitos redesenhos, o que prolongava o processo de design, custando muito dinheiro. No entanto, com a análise de elementos finitos, os designers podem testar a durabilidade dentro do espaço virtual do software de engenharia assistida por computador. Isso reduz significativamente os prazos dos projetos, o que economiza dinheiro e tempo para os fabricantes, além de reduzir o desperdício de material. O resultado final é um design seguro e durável. Como conduzir a análise de elementos finitos A análise de elementos finitos é um método de análise estrutural que utiliza processos matemáticos. A FEA requer que você divida um objeto maior e mais complicado em seções mais gerenciáveis. À medida que você continua dividindo a estrutura, obtém uma ideia melhor de como o objeto responderá aos estressores. Esse método de dividir uma estrutura para FEA é conhecido como método dos elementos finitos (FEM). Passo 1: Modelagem Ao modelar o objeto, você deve omitir as características geométricas sofisticadas e ver a estrutura básica do objeto. Preste atenção em quais características estão presentes por razões estruturais versus apelo estético. Entenda por que você está removendo um aspecto geométrico enquanto mantém outro. Passo 2: Definição de material Como o nome do passo sugere, as propriedades do material devem ser definidas aqui. Elas dependem do tipo de análise que está sendo realizada. Experimente diferentes materiais para verificar qual se adapta às necessidades exigidas. Passo 3: Definição de cargas Sua estrutura não pode existir no vácuo. Este passo ajuda a identificar quais forças externas estão agindo sobre a estrutura. Como isso afeta um componente em relação a outro? Passo 4: Condições de contorno Como já fizemos em problemas matemáticos antes, definir condições para as quais a estrutura existirá é feito principalmente para reduzir a complexidade do problema. Se soubermos as condições de antemão, isso nos ajuda a economizar muito tempo ao calcular. Passo 5: Malha A geometria da sua estrutura é dividida em formas menores chamadas, por favor, toque os tambores, elementos finitos. Malhar significa simplesmente conectar os cálculos desses elementos finitos para criar uma estrutura de malha. Nota: quanto mais densa for sua estrutura de malha, mais precisos serão seus resultados. No entanto, à medida que você adiciona pontos nodais, os cálculos complexos aumentarão. Passo 6: Solução Simplificando, equações diferenciais parciais são convertidas em equações algébricas. Isso ajudará a representar equações como matrizes. As matrizes singulares são então montadas em uma matriz global, que é então resolvida para variáveis desconhecidas. Neste ponto, seu software de computação FEM terá criado uma representação para seu objeto. Continue verificando diferentes designs para ver qual atende aos seus requisitos. Exemplos de método dos elementos finitos Embora o método dos elementos finitos possa parecer complexo na teoria, casos de uso práticos o tornam muito mais fácil de entender. Um caso de uso principal do método dos elementos finitos é testar a resistência e durabilidade de uma ponte. Quando engenheiros projetam uma ponte, a estética tende a receber toda a glória. Como consumidores e moradores da cidade, priorizamos o apelo visual de uma peça de arquitetura em detrimento de sua segurança e durabilidade. É por isso que uma das pontes mais famosas do mundo é a bela Ponte Golden Gate em São Francisco. É uma obra-prima arquitetônica que foi a maior ponte suspensa de vão único do mundo na época de sua construção. Ela conectou o Condado de Marin à cidade de São Francisco e era visualmente atraente. Mas com que frequência as pessoas pensam sobre quanto planejamento foi necessário para projetar uma estrutura tão grande? Como os engenheiros construíram uma ponte que resistiu por mais de 80 anos sem software de computador para ajudá-los? A resposta está no método dos elementos finitos. Quando pensamos na Ponte Golden Gate, podemos apreciar todos os diferentes elementos que os engenheiros tiveram que levar em conta. A ponte é efetivamente um tabuleiro de ponte, pylons, cabos, vigas e fundação combinados em um único objeto capaz de suportar 887.000 toneladas. Em seguida, os engenheiros tiveram que testar como essa ponte reagiria a terremotos e aos ventos fortes comuns na área da baía. A melhor maneira de fazer isso foi dividindo como cada elemento responderia a forças físicas para construir toda a ponte. Por exemplo, o sistema de treliça abaixo da ponte foi adicionado para enrijecer o tabuleiro e reduzir a tensão da estrada na própria ponte. Sem ele, a ponte desabaria. Os engenheiros até colocaram amortecedores em cada extremidade da ponte para ajudá-la a resistir a forças sísmicas. Sem os amortecedores, a ponte poderia desabar em um terremoto. Pensar que os engenheiros da Ponte Golden Gate tiveram que fazer tudo isso manualmente é de deixar a mente perplexa. Ainda assim, o que é ainda mais impressionante é que eles conseguiram tudo isso em apenas quatro anos — confiando no método dos elementos finitos. Avançando para hoje, temos software de engenharia assistida por computador que permite que engenheiros realizem análises de elementos finitos antes do início da construção. Enquanto os engenheiros de antigamente tinham que pensar em todos esses elementos de antemão, os engenheiros de hoje podem otimizar e garantir a segurança de seus projetos usando software. É por isso que construir a Ponte Golden Gate pareceria completamente diferente hoje. Com o software CAE, os usuários podem mexer com a geometria da construção para construir estruturas duráveis e seguras. Depois de terminar de projetar uma estrutura ou objeto, o software realiza a análise de elementos finitos. No caso de uma ponte, isso envolve principalmente o estresse direto que o peso teria na estrutura. O software pode então identificar quais elementos da ponte falhariam sob estresses específicos e se a ponte desabaria. Usando a análise de elementos finitos, os engenheiros podem identificar rapidamente áreas que precisam ser redesenhadas. Agora é a hora de obter notícias e entretenimento SaaS-y com nosso boletim informativo de 5 minutos, G2 Tea, apresentando líderes inspiradores, opiniões ousadas e previsões audaciosas. Inscreva-se abaixo! Software de análise de elementos finitos Como já falamos antes, o software assistido por computador ajuda na análise de elementos finitos. Mas como identificamos um bom software CAE? O software CAE deve atender aos seguintes requisitos para ser considerado dentro de sua categoria. - Permitir que os usuários criem simulações por meio de uma interface gráfica do usuário (GUI) - Permitir o teste de componentes dentro de uma simulação enquanto possui variáveis ambientais personalizáveis - Ajudar na otimização de processos e desenvolvimento de produtos Abaixo estão os cinco principais softwares CAE usados para análise de elementos finitos. Estes estão listados de acordo com as tendências de software observadas durante a publicação deste artigo. 1. MATLAB MATLAB é uma ferramenta de programação, modelagem e simulação desenvolvida pela MathWorks. O que os usuários gostam: "O fato de que o Matlab é simples de usar e tem excelente assistência da comunidade é o que eu mais aprecio. Vários métodos de processamento de sinais e imagens estão disponíveis. Operações matemáticas e operações de matriz tornam-se simples e ajudam a simplificar o trabalho e a pesquisa." - revisão do MATLAB, Vandan C O que os usuários não gostam: "A licença e o custo são um pouco pesados, e o tamanho dos dados da aplicação também é pesado, então executar o projeto leva muito tempo e torna o fluxo de trabalho tedioso. Ainda assim, dá resultados definitivos após esperar, o que faz tudo valer a pena." - revisão do MATLAB, Sagar V. 2. Fusion 360 Fusion 360 é a primeira e única solução integrada de desenvolvimento de produtos CAD, CAM, CAE e PCB em nuvem para designers de produtos, engenheiros mecânicos, engenheiros eletrônicos e maquinistas. Ele permite que você conecte todo o seu design para fabricar um processo de desenvolvimento de produtos para entregar produtos de alta qualidade ao mercado mais rapidamente e impactar positivamente seu resultado final. O que os usuários gostam: "Fusion é econômico, fácil de usar e se adapta facilmente ao tamanho da equipe. Ter apenas um formato de arquivo e um arquivo para construir tudo é excelente." - revisão do Fusion360, Adam O. O que os usuários não gostam: "É um pouco problemático. Alguns problemas exigem pesquisar nos fóruns para encontrar uma solução alternativa até que um patch seja lançado. Alguns problemas persistem por um bom tempo, enquanto outros são corrigidos instantaneamente." - revisão do Fusion360, Justin H. 3. SOLIDWORKS SOLIDWORKS oferece ferramentas conectadas e fáceis de usar que ajudam você a inovar e acelerar todos os aspectos do seu processo de desenvolvimento de produtos. O que os usuários gostam: "O software me permite ver diferentes visualizações em tempo real enquanto projeto, então isso me ajuda a visualizar melhor minha peça e entender sua função mais claramente do que nunca." - revisão do SOLIDWORKS, Md. Sazzad M. O que os usuários não gostam: "O design paramétrico não é tão valioso para o Solidworks. Além disso, fazer esboços através de equações também não é fácil, e há menos opções. Existem apenas algumas opções para a superfície de classe A também. O Keyshot também não é fornecido com o Solidworks." - revisão do SOLIDWORKS, Himanshu K. 4. Solid Exchange Solid Edge é um portfólio de ferramentas de software acessíveis, fáceis de implantar, manter e usar que avançam todos os aspectos do processo de desenvolvimento de produtos - design mecânico e elétrico, simulação, fabricação, documentação técnica, gerenciamento de dados e colaboração em nuvem. O que os usuários gostam: "Capacidades de modelagem ricas em recursos, tecnologia síncrona, renderização com KeyShot, núcleo Parasolid forte, simulação super fácil (análise FEA)." - revisão do Solid Exchange, Florian S. O que os usuários não gostam: "O ambiente de animação e esboço poderia receber algumas melhorias, e eles poderiam adicionar mais funções para trabalhar com malhas junto com a modelagem B-rep." - revisão do Solid Exchange, Flavio H. 5. Altair SimSolid Ao realizar análises estruturais em montagens CAD totalmente apresentadas em minutos, o SimSolid é uma tecnologia de simulação revolucionária para designers, engenheiros e analistas. Ele elimina a preparação de geometria e malha: as duas tarefas mais demoradas, extensivas em expertise e propensas a erros realizadas em uma simulação estrutural convencional. O que os usuários gostam: "Altair SimSolid é construído com base em tecnologia avançada de simulação de engenharia que o torna ideal para analisar produtos complexos e do mundo real. Sua abordagem única de solver tudo-em-um oferece velocidade e precisão, enquanto suas capacidades de malha e modelagem economizam tempo e simplificam a construção de modelos. É também um conjunto integrado abrangente e poderoso de ferramentas que permite que profissionais de engenharia projetem em 3D facilmente." - revisão do Altair SimSolid, Yashovardhan J O que os usuários não gostam: "Não há permissão para modificações geométricas uma vez que o modelo foi importado. A introdução de ferramentas de modelagem geométrica no SimSolid aumentaria a eficiência do fluxo de trabalho de análise." - revisão do Altair SimSolid, Giulio D. Análise finita para retorno infinito Embora aprender a realizar análise de elementos finitos exija paciência e prática, o retorno pode ser imenso. Quer você trabalhe nas indústrias automotiva, de energia ou de engenharia civil - a análise de elementos finitos ajudará a melhorar a segurança e durabilidade de seus projetos. Quer saber mais sobre princípios de engenharia e design? Leia sobre o que é Modelagem de Informação da Construção e como está ajudando engenheiros e arquitetos. Este artigo foi publicado originalmente em 2019. Foi atualizado com novas informações.