Análise Estrutural Com ANSYS Workbench 2015

Domingos F. O. Azevedo

Azevedo, Domingos Flávio de Oliveira. 1958 -

Análise estrutural com Ansys Workbench: Static Structural / Domingos Flávio de Oliveira Azevedo. Mogi das Cruzes: _____________, 2015. 136p. Bibliografia. ISBN: ___________________

1. Análise estrutural 2. Elementos finitos Engenharia auxiliada por computador I. Título.

3.

CDD - _________________

Índices para catálogo sistemático:

Análise estrutural: Engenharia __________________ Elementos finitos: Engenharia __________________ Engenharia auxiliada por computador: Engenharia _______________ http://www.domingosdeazevedo.com/ mailto:[email protected]

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.

Análise Estrutural com ANSYS Workbench V15

Figura 1: Quantidade de transistores de cada processador Intel ® ao longo do tempo. (Fora de escala). ......................................................................................... 12 Figura 2: Comparação entre a Lei de Moore e a real evolução de processadores Intel® ao longo do tempo. (6). ..................................................................... 13 Figura 3: Evolução anual da velocidade de processamento na última década do século XX. ................................................................................................... 14 Figura 4: Similaridade entre um objeto e uma mola carregados axialmente. ........... 18 Figura 5: Similaridade entre as equações que determinam a força de um objeto e uma mola carregada axialmente. ................................................................ 19 Figura 6: Deslocamentos e forças nas extremidades de uma mola. ........................ 19 Figura 7: Dois elementos ou molas em série com rigidez, deslocamentos e forças diferentes. ................................................................................................... 19 Figura 8: Equação matricial do sistema de dois elementos em série. ...................... 20 Figura 9: Objeto unidimensional único com seus nós e grau de liberdade de um destes. ........................................................................................................ 22 Figura 10: Objeto bidimensional único com seus nós e graus de liberdade de um destes. ........................................................................................................ 22 Figura 11: Objeto tridimensional único com seus nós e graus de liberdade de um destes. ........................................................................................................ 22 Figura 12: Elementos de primeira ordem, bidimensionais e tridimensionais respectivamente.......................................................................................... 23 Figura 13: Elementos de segunda ordem, bidimensionais e tridimensionais, respectivamente.......................................................................................... 23 Figura 14: Grau polinomial dos elementos. .............................................................. 23 Figura 15: Peça e conjunto de peças discretizadas, respectivamente. .................... 24 Figura 16: Gráfico de Convergência da tensão em função do número de Nós (modificado). ............................................................................................... 25 Figura 17: Dados de fratura biaxial do ferro fundido cinzento, comparados a vários critérios de falha. ......................................................................................... 27 Figura 18: Dados experimentais de tração superpostos a três teorias de falha. ...... 28 Figura 19: Associação do Ansys na interface do Autodesk Inventor. ....................... 33 Figura 20: Janela de boas vindas do Ansys Workbench. ......................................... 35 Figura 21: Inserindo uma análise num novo projeto do Ansys Workbench. ............. 36 Figura 22: Interface do Ansys Workbench (Gerenciador)......................................... 37 Figura 23: Caixa de Ferramentas do Ansys Workbench (Gerenciador). .................. 38 Figura 24: Definições de pré-processamento e pós-processamento no Ansys. ....... 40

Domingos F. O. Azevedo Figura 25: Objeto geométrico definido com as condições de contorno á esquerda e discretizada á direita. .................................................................................. 41 Figura 26: Visualização de resultados de tensão e de deslocamento em uma peça. .................................................................................................................... 41 Figura 27: Importando uma geometria para a análise. ............................................. 42 Figura 28: Localizando o arquivo da geometria. ....................................................... 42 Figura 29: Iniciando a interface de análise. .............................................................. 43 Figura 30: Interface para a análise estrutural. .......................................................... 43 Figura 31: Atribuição das condições de contorno. .................................................... 45 Figura 32: Acessando a biblioteca de materiais. ...................................................... 46 Figura 33: Interface da biblioteca de materiais (Engineering Data). ......................... 47 Figura 34: Área de materiais do tipo selecionado (Engineering Data). .................... 47 Figura 35: Área de propriedades do material (Engineering Data). ........................... 48 Figura 36: Seleção do material e retorno ao projeto. ............................................... 48 Figura 37: Atribuição do material na interface de simulação. ................................... 49 Figura 38: Interface do ambiente do Static Structural - Mechanical. ........................ 50 Figura 39: Barras de menus e de ferramentas. ........................................................ 51 Figura 40: Barra de ferramentas padrão detalhada. ................................................. 51 Figura 41: Barra de seleção de grupos detalhada. ................................................... 53 Figura 42: Barra de cálculo para conversão de unidades detalhada........................ 53 Figura 43: Barra de ferramentas gráficas, detalhada. .............................................. 53 Figura 44: Atualização da Barra de contexto............................................................ 55 Figura 45: Painel da árvore detalhada...................................................................... 56 Figura 46: Painel de detalhes. .................................................................................. 58 Figura 47: Abas do Static Structural. ........................................................................ 60 Figura 48: Mechanical Application Wizard com as etapas de Simulação. ................ 61 Figura 49: Barra de status mostrando valores das entidades selecionadas............. 62 Figura 50: Detalhes da malha e geração.................................................................. 64 Figura 51: Geração da malha com relevância padrão (0). ....................................... 65 Figura 52: Geração da malha com relevância -100 e +100. ..................................... 65 Figura 53: Configuração de Dimensionamento (Sizing). .......................................... 65 Figura 54: Configuração de Curvatura 60° (Curvature). ........................................... 66 Figura 55: Configuração de Curvatura 20° (Curvature). ........................................... 67 Figura 56: Configuração de Proximidade 2 (Num Cells Across Gap). ...................... 67 Figura 57: Configuração de Proximidade 5 (Num Cells Across Gap). ...................... 68

Análise Estrutural com ANSYS Workbench V15 Figura 58: Configurações Avançadas de Malha (Advanced).................................... 69 Figura 59: Defeaturing (Descaracterização) configuração e resultado. .................... 69 Figura 60: Tipos de elementos para objetos sólidos. ............................................... 72 Figura 61: Opções para configuração de Method (Método). .................................... 73 Figura 62: Hex Dominant Method (Método com Dominância de Hexaedros)........... 73 Figura 63: Tetrahedrons Method (Método com Tetraedros). .................................... 74 Figura 64: Patch Independent (Caminho Independente). ......................................... 74 Figura 65: Sweep Method (Método com Varredura)................................................. 75 Figura 66: Multizone Method (Método multi - zonas). .............................................. 75 Figura 67: Sizing – Element Size (Tamanho do elemento) configuração e resultado. .................................................................................................................... 76 Figura 68: Sizing – Sphere of Influence (Esfera de influência) configuração e resultado. .................................................................................................... 76 Figura 69: Contact Sizing – Relevance (Relevância) resultado................................ 77 Figura 70: Refinament (Refinamento) configuração e resultado. ............................. 78 Figura 71: Mapped Face Meshing – (Discretização mapeada de face).................... 78 Figura 72: Mapped Face Meshing – (Discretização mapeada de face) com pontos. .................................................................................................................... 79 Figura 73: Mapped Face Meshing – (Discretização mapeada de face) configuração. .................................................................................................................... 79 Figura 74: Pinch (Arrancar) geometria e configuração. ............................................ 80 Figura 75: Pinch (Arrancar) resultado....................................................................... 80 Figura 76: Inflation (Inflação) configuração e resultado. ........................................... 81 Figura 77: Inflation (Inflação) configuração e resultado - 2....................................... 82 Figura 78: “Mesh Metric” (Metrica da Malha) configuração e gráfico. ...................... 87 Figura 79: Gráfico de tipos, quantidade e qualidade de elementos. ......................... 88 Figura 80: Verificação de quantidade e valor de avaliação no gráfico. .................... 88 Figura 81: Elementos do tipo posicionados na peça. ............................................... 89 Figura 82: Controles do gráfico de métrica da malha. .............................................. 89 Figura 83: Aspect Ratio Calculation for Triangles (relação de aspecto para triângulos). Comparação de elementos. ..................................................... 90 Figura 84: Aspect Ratio Calculation for Quadrilaterals (relação de aspecto para quadriláteros). Comparação de elementos. ................................................ 90 Figura 85: Jacobian Ratio (Razão Jacobiana) comparação de elementos............... 91 Figura 86: Warping Factor (fator de distorção) comparação de elementos. ............. 91 Figura 87: Parallel Deviation (desvio paralelo) comparação de elementos. ............. 92

Domingos F. O. Azevedo Figura 88: Maximum Corner Angle (máximo ângulo do canto) comparação de elementos. .................................................................................................. 92 Figura 89: Skewness (assimetria) comparação de elementos. ................................ 93 Figura 90: Orthogonal Quality (qualidade ortogonal) método de avaliação. ............. 93 Figura 91: a) Objeto com uma carga aplicada em uma das faces (Force); b) Detalhes da carga aplicada e gráfico de aplicação desta carga. ................ 96 Figura 92: Configuração e edição de etapas em Analysis Settings. ......................... 97 Figura 93: Configuração e edição de sub-etapas em Analysis Settings e gráfico com etapas e sub-etapas. .................................................................................. 98 Figura 94: Configuração e edição de sub-etapas e tempos em Analysis Settings e gráfico com legenda e rótulos das cargas................................................... 98 Figura 95: Criação de uma expressão. ..................................................................... 99 Figura 96: Configuração da magnitude da carga em função do tempo. ................. 100 Figura 97: Opções de seleção para força. .............................................................. 102 Figura 98: Exemplo de força aplicada num objeto. ................................................. 102 Figura 99: Exemplo de pressão aplicada num objeto. ............................................ 103 Figura 100: Exemplo de pressão hidrostática aplicada num objeto. ....................... 103 Figura 101: Exemplo de Carga de rolamento aplicada em objetos. ....................... 104 Figura 102: Exemplos de Pré-Carga de parafuso aplicada em objetos. ................. 104 Figura 103: Exemplo com a superfície da divisão de Pré-Carga de parafuso. ....... 105 Figura 104: Momento e as possibilidades de carga em faces (vermelho), direção (seta branca) e região afetada (cinza). ..................................................... 105 Figura 105: Regra da mão direita para direção do momento. ................................ 106 Figura 106: Objeto com uma face fixada (Fixed Support). ..................................... 108 Figura 107: Objeto com uma face plana sem atrito (Frictionless Support). ............ 109 Figura 108: Objeto com uma face cilíndrica sem atrito (Frictionless Support). ....... 109 Figura 109: Objeto particionado para análise de apenas um quarto do total.......... 110 Figura 110: Objeto com uma face plana apoiada apenas compressão. ................. 110 Figura 111: Objeto com uma face cilíndrica apoiada apenas a compressão (Compression Only Support)..................................................................... 111 Figura 112: Objeto com uma face (furo) apoiada apenas a compressão com deformação. .............................................................................................. 111 Figura 113: Graus de liberdade do objeto com apoio cilíndrico em um furo (Cylindrical Support). ................................................................................ 112 Figura 114: Tipos de seleção possíveis para deslocamento (Displacement). ........ 113 Figura 115: Tipos de seleção possíveis para deslocamento zero (Displacement). 113

Análise Estrutural com ANSYS Workbench V15 Figura 116: Configuração de rotação para deslocamento remoto (Remote Displacement). .......................................................................................... 114 Figura 117: Opções para configuração de comportamento de deslocamento remoto (Remote Displacement). ........................................................................... 115 Figura 118: Iniciando uma análise no Ansys Workbench. (Repetida). ................... 119 Figura 119: Interface para a análise estrutural. (Repetida). ................................... 120 Figura 120: Na árvore aparecem as soluções escolhidas. ..................................... 120 Figura 121: Definições necessárias do tipo de carregamento. ............................... 121 Figura 122: Verificação das etapas realizadas no Mechanical Application Wizard. .................................................................................................................. 122 Figura 123: Resultados de malha e tensões apresentadas na janela gráfica. ....... 123 Figura 124: Resultados de tensão de cisalhamento e deslocamento apresentados na janela gráfica. ....................................................................................... 123 Figura 125: Resultados de fator e margem de segurança apresentados na janela gráfica. ...................................................................................................... 123 Figura 126: Conjunto de pistão e biela de motor a combustão. ............................. 124 Figura 127: Lista de regiões de contatos entre as peças do conjunto pistão e biela. .................................................................................................................. 124 Figura 128: Relação de peças do conjunto mostrada na árvore. ........................... 125 Figura 129: Condições de contorno aplicadas e apresentadas na janela gráfica. .. 126 Figura 130: Discretização do conjunto. .................................................................. 127 Figura 131: Processo de análise sendo executado pelo programa. ....................... 127 Figura 132: Resultado de tensão von Mises do conjunto apresentado na janela gráfica. ...................................................................................................... 128 Figura 133: Resultado de tensão von Mises do conjunto sem a visibilidade do pistão. ....................................................................................................... 128 Figura 134: Resultado de tensão von Mises visualizado com Iso Surfaces. .......... 129 Figura 135: Resultado de tensão de máximo cisalhamento do conjunto................ 129 Figura 136: Resultado de deformação do conjunto. ............................................... 130 Figura 137: Resultado de fator de segurança do conjunto. .................................... 130 Figura 138: Aba do relatório para definições de cabeçalho e outros detalhes. ...... 131

Domingos F. O. Azevedo

INTRODUÇÃO ............................................................................................... 10 Breve Histórico ........................................................................................ 10 Evolução de hardware ............................................................................. 11 A ANÁLISE ESTRUTURAL ........................................................................... 17 O método de elementos finitos ................................................................ 18 ETAPAS DO MÉTODO ............................................................................... 21 Pré-processamento...............................................................................................................21

A geometria e a Malha dos componentes ............................................... 21 Preparação da geometria ........................................................................ 26 Os Materiais dos componentes ............................................................... 26 Coeficientes de segurança e normas de projeto (9) ................................ 28 ANÁLISE NO ANSYS WORKBENCH ........................................................... 32 Programas associativos ........................................................................................................32 Programas Não-Associativos: ...............................................................................................33 Exportação de Geometrias ....................................................................................................34

INICIANDO O ANSYS WORKBENCH ........................................................... 35 INTERFACE DO ANSYS WORKBENCH .................................................... 37 ATRIBUIÇÃO DAS CONDIÇÕES DE CONTORNO: ............................... 44 COMO ALTERAR O MATERIAL DAS PEÇAS ........................................ 45 INTERFACE DO AMBIENTE DE ANÁLISE .............................................................. 50 Detalhamento das Regiões da Interface.................................................. 51 O painel da árvore utiliza as seguintes convenções: ..............................................................56

Símbolos de Status.................................................................................. 57 ETAPAS DA ANÁLISE COM ANSYS W ORKBENCH................................................. 63 PRÉ-PROCESSAMENTO NO ANSYS W ORKBENCH............................................... 64 Malha (Mesh) ........................................................................................... 64 Qualidade da Malha ..............................................................................................................85 Qualidade dos Elementos (10) ..............................................................................................86

CONDIÇÕES DE CONTORNO ................................................................... 94 O que são as condições de contorno? .................................................... 94

Análise Estrutural com ANSYS Workbench V15 Considerações iniciais sobre as condições de contorno ......................... 95 Atribuição das condições de contorno ..................................................... 95 CARREGAMENTOS ................................................................................ 96 Modos de cargas estruturais .................................................................................................96

Tipos de cargas estruturais ................................................................... 101 Força (Force)...................................................................................................................... 101 Força remota (Remote Force) ............................................................................................. 102 Pressão (Pressure) ............................................................................................................. 102 Pressão hidrostática (Hydrostatic Pressure)......................................................................... 103 Carga de rolamento (Bearing Load)..................................................................................... 103 Pré-carga de parafuso (Bolt Pretension) .............................................................................. 104 Momento (Moment)............................................................................................................. 105

Restrições .............................................................................................. 107 Apoio Fixo .......................................................................................................................... 108 Apoio sem atrito.................................................................................................................. 108 Apoio apenas à compressão ............................................................................................... 110 Apoio Cilíndrico .................................................................................................................. 112 Deslocamento (Displacement)............................................................................................. 113 Deslocamento remoto (Remote Displacement) .................................................................... 114

Tipos de cargas inerciais de corpos e suas características ................... 116 CONTATOS NO ANSYS W ORKBENCH: ............................................................. 117 Tipos de contato .................................................................................... 117 Bonded - Ligado .................................................................................... 117 No separation - Sem separação ............................................................ 118 Frictionless - Sem atrito ......................................................................... 118 Rough - Áspero...................................................................................... 118 Frictional – Com atrito ............................................................................ 118 Exemplo 1 – Analise de uma peça: ....................................................... 119 EXEMPLO 2 – ANALISE DE UM CONJUNTO DE PEÇAS:...................................... 124 VALIDAÇÃO DOS RESULTADOS....................................................................... 132 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ............................................................ 135

Domingos F. O. Azevedo

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 melhoria 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

Análise Estrutural com ANSYS Workbench V15 computadores digitais. Na década de 1950, o trabalho na indústria aeronáutica, introduziu o método de elementos finitos (MEF) para a prática dos engenheiros, 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 eram muito 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)

Domingos F. O. Azevedo Nos gráficos a seguir mostram-se a evolução dos processadores pelo aumento da quantidade de transistores contidos em cada um, ao longo do tempo.

±1 Bilhão de transistores Haswell DEZ/2013

I3, i5 e i7 - 2008 731 milhões de transistores

® 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) (5) 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.

Número de transistores em um circuito integrado

Análise Estrutural com ANSYS Workbench V15

Número de transistores dobrando a cada 18 meses

Número de transistores dobrando a cada 24 meses

Figura 2: Comparação entre a Lei de Moore e a real evolução de processadores Intel® ao longo do tempo. (6).

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.

Frequência de processamento (MHz)

Domingos F. O. Azevedo

(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. 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

Análise Estrutural com ANSYS Workbench V15 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 multi-físicos 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 método dos 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.  Possibilidade de análise de componentes sobrepostos que possuam propriedades físicas diferentes.

Domingos F. O. Azevedo  Diminuição dos custos associados aos protótipos  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 com boa aproximação do 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. Facilidade na montagem de vários cenários possíveis.  Permite a simulação de modelos onde a utilização de protótipos não é adequada. Ex.: implantes cirúrgicos.  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 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.  Facilidade de integração com ferramentas de CADD (associatividade, interoperabilidade e parametrização) e consequentemente melhoria do desenho.  Os novos softwares são multi-físicos e permitem realizar análises acopladas onde um mesmo modelo é submetido a diversas condições em que estará quando em uso, por exemplo: estrutural, térmicas, acústicas, dinâmica de fluídos, etc.

Análise Estrutural com ANSYS Workbench V15

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, (7). 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

Domingos F. O. Azevedo nos materiais e falhas catastróficas, mesmo quando as tensões são bem menores que os limites para condições puramente estáticas.

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.

Análise Estrutural com ANSYS Workbench V15 Portanto:

𝐸. 𝐴 𝐹=( ) . ∆𝑙 é 𝑠𝑖𝑚𝑖𝑙𝑎𝑟 𝑎 𝐹 = 𝑘. 𝑥 𝑙 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.

Domingos F. O. Azevedo

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 por exemplo, o Hipermesh ou Patran. A forma dos elementos dependerá da geometria e das configurações estabelecidas pelo usuário no software.

Análise Estrutural com ANSYS Workbench V15

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 pósprocessamento. 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. Na análise estrutural com MEF, o pré-processamento inclui a definição da geometria das peças, os materiais, a malha e as condições de contorno (principais e naturais).

A geometria e a Malha dos componentes Dependendo

software

utilizado

para

análise

pode-se

ter

objetos

unidimensionais, bidimensionais ou tridimensionais. Na grande maioria dos softwares 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.

Domingos F. O. Azevedo

Objeto unidimensional

Elemento

N

N

Figura 9: Objeto unidimensional único com seus nós e grau de liberdade de um N

destes.

Objeto bidimensional

N

N

Figura 10: Objeto bidimensional único com seus nós e graus de liberdade de um destes.

N

N N Objeto tridimensional

Elemento

N N

N

Figura 11: Objeto tridimensional único com seus nós e graus de liberdade de um destes.

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. Os nós estarão sempre localizados nas extremidades das arestas e eventualmente sobre as arestas ou faces do elemento, dependendo do seu grau polinomial.

Análise Estrutural com ANSYS Workbench V15

Figura 12: Elementos de primeira ordem, bidimensionais e tridimensionais respectivamente. Elemento que possua apenas nós em suas extremidades, delimitando o próprio elemento, é de primeira ordem. Vide exemplos na figura anterior.

Figura 13: Elementos de segunda ordem, bidimensionais e tridimensionais, respectivamente.

Elemento que possua um nó em cada uma de suas arestas é de segunda ordem. O grau polinomial é determinado pela quantidade de nós do elemento, conforme mostrado na figura a seguir. Triângulo de Pascal

Grau Polinomial, p

Número de Termos, n

Elemento triangular (Número de nós = Número de termos)

Figura 14: Grau polinomial dos elementos. Os nós de cada elemento se conectarão aos nós do elemento adjacente ou delimitarão o próprio objeto. Objetos

que

possuam

formas

curvas

representados com elementos de ordem superior.

complexas

serão

mais

bem

Domingos F. O. Azevedo 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 15: 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 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.

Análise Estrutural com ANSYS Workbench V15

Gráfico de Convergência 350 300

Tensão (MPa)

250 200

MEF

150

Exata

100

Linear (Exata)

50

15000

14000

13000

12000

11000

10000

9000

8000

7000

6000

5000

4000

3000

2000

1000

0

0

Número de Nós

Figura 16: Gráfico de Convergência da tensão em função do número de Nós (modificado). Fonte: Alves, 2003 (8). 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. Os resultados obtidos com MEF podem se aproximar bastante do resultado analítico e exato. Mas o próprio resultado analítico, assim como, com o MEF pode não ser igual ao que pode ocorrer na realidade, pois pode haver diferenças nas propriedades do material, geometria e carregamentos. Por exemplo, as propriedades do material podem não ser exatamente aquelas que a peça possui. Os materiais, em geral, não são homogêneos como se supõe nos cálculos analíticos ou com o MEF e, portanto, suas propriedades variam internamente. Isto ocorre porque os processos de fabricação alteram estas propriedades,

principalmente

processos,

tais

como:

fundição,

forjamento,

estampagem, tratamentos térmicos, jateamento, etc. Podem melhorar, piorar ou simplesmente, variar as propriedades previstas. A geometria real pode apresentar imperfeições devidas também a processos de fabricação, que podem afetar a distribuição de tensão internamente na peça ou

Domingos F. O. Azevedo em sua superfície. Processos de usinagem podem, eventualmente, deixar erros de forma ou marcas que geram concentração de tensões, processos de revestimento podem diminuir a resistência á fadiga da peça, os processos de fundição, forjamento e laminação, entre outros, podem produzir superfícies relativamente diferentes daquelas previstas no projeto. A verdadeira intensidade, orientação e posição de um carregamento pode ser diferente daquelas aplicadas na análise ou ter variações ao longo do tempo que não foram previstas no projeto e resultar em diferenças entre o que realmente ocorre e o comportamento obtido na simulação.

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.

Análise Estrutural com ANSYS Workbench V15 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. 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 17: Dados de fratura biaxial do ferro fundido cinzento, comparados a vários

critérios de falha.

Fonte: Dowling, N. E. (1993) apud Norton, 2006 (9).

Domingos F. O. Azevedo

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 utilizem a teoria da Energia de Distorção de von Mises e de máximo cisalhamento. Vide figura a seguir. Elipse de energia de distorção

Figura 18: Dados experimentais de tração superpostos a três teorias de falha .

Fonte: Dowling, N. E. (1993) apud Norton, 2006 (9).

Coeficientes de segurança e normas de projeto (9) Segundo Norton (2004), é sempre necessário calcular um ou mais coeficientes de segurança para estimar a probabilidade de falha. Pode haver normas de projetos, de legislatura ou aceitos de forma geral, que também devem ser adotados. Adotam-se os coeficientes ou fatores de segurança por vários motivos, entre eles, têm-se diferenças entre as propriedades dos materiais previstos em projeto e aqueles realmente utilizados, diferenças entre as condições ambientais em que os materiais foram testados e aqueles em que serão utilizados e modelos geométricos, de forças e tensões das análises e aqueles realmente utilizados com possíveis erros

Análise Estrutural com ANSYS Workbench V15 de forma, rugosidade e variações devidos aos processos de fabricação, que também podem afetar as propriedades dos materiais. Outras causas imprevistas de uso da peça ou anormalidades podem ocorrer e levar a peça a falhar em cumprir sua função, por exemplo, possíveis sobrecargas devido ao mau uso ou variações de temperatura, ventos e outras provocadas pela natureza além do previsto no projeto. Com estas diversas diferenças entre o que se prevê no projeto e aquilo que efetivamente estará ocorrendo no uso da peça, aumentam as possibilidades de falha. E como meio de prevenção á falha, adotam-se os coeficientes (ou fatores) de segurança. Os coeficientes (ou fatores) de segurança são a razão entre a tensão limite do material e a tensão atuante, ou razão entre o esforço crítico e o esforço aplicado, ou entre o esforço para quebra da peça e o esforço aplicado, etc. Um coeficiente (ou fator) de segurança é sempre adimensional. Os coeficientes (ou fatores) de segurança representam uma medida razoável da incerteza no projeto. Equipamentos, máquinas e estruturas que se ao falharem possam causar grandes perdas materiais ou colocar em risco a integridade de pessoas, geralmente, recebem coeficientes (ou fatores) de segurança mais elevados. A Tabela 1 mostra um conjunto de fatores para materiais dúcteis que podem ser escolhidos em cada uma das três categorias listadas com base no conhecimento ou julgamento do projetista sobre a qualidade das informações utilizadas. O coeficiente de segurança é tomado deve ser o maior dos três fatores escolhidos. 𝑁𝑑ú𝑐𝑡𝑖𝑙 = 𝑀𝐴𝑋 (𝐹1; 𝐹2; 𝐹3) Materiais frágeis são projetados pelo limite de ruptura, de modo que a falha significa ruptura. Os materiais dúcteis sob carregamento estático são projetados pelo limite de escoamento, e espera-se que deêm algum sinal visível de falha antes da ruptura, a menos que trincas indiquem a possibilidade de uma ruptura pela mecânica da fratura. Por essas razões, o coeficiente de segurança para materiais frágeis é geralmente duas vezes o coeficiente que seria usado para materiais dúcteis (9) 𝑁𝑓𝑟á𝑔𝑖𝑙 = 2 . 𝑀𝐴𝑋 (𝐹1; 𝐹2; 𝐹3)

Domingos F. O. Azevedo Tabela 1: Fatores para determinar um coeficiente de segurança. (9)

Análise Estrutural com ANSYS Workbench V15 De posse do coeficiente (fator) de segurança pode-se calcular a tensão admissível. O valor adotado de coeficiente ou fator de segurança Ndúctil ou frágil tornase o fator de segurança do projeto, fs.

𝜎𝑎𝑑𝑚𝑖𝑠𝑠í𝑣𝑒𝑙 =

𝜏𝑎𝑑𝑚𝑖𝑠𝑠í𝑣𝑒𝑙 =

𝜎𝑒 𝑓𝑠𝑝𝑟𝑜𝑗𝑒𝑡𝑜

0,5 . 𝜎𝑒 𝑓𝑠𝑝𝑟𝑜𝑗𝑒𝑡𝑜

𝜎𝑎𝑑𝑚𝑖𝑠𝑠í𝑣𝑒𝑙 =

𝑝𝑎𝑟𝑎 tensões normais de materiais dúcteis

𝑝𝑎𝑟𝑎 tensões cisalhantes de materiais dúcteis

𝜎𝑟𝑢𝑝𝑡𝑢𝑟𝑎 (𝜎𝑡 ;𝜎𝑐 ) 𝑓𝑠𝑝𝑟𝑜𝑗𝑒𝑡𝑜

𝑝𝑎𝑟𝑎 tensões de materiais frágeis

Após realizada a análise no software comparam-se os fatores de segurança da análise e do projeto, se o fator da análise for maior que o fator do projeto significa que as tensões na peça serão menores que as tensões admissíveis e portanto, o projeto estará aprovado quanto a este aspecto analisado. Entretanto, se o fator da análise for menor que o do projeto, deve ser reprovado. Na reprovação do projeto deve realizar uma análise crítica das variáveis que influenciam nos resultados, tais como, materiais, geometria, apoios, carregamentos, processos de fabricação, etc. Para escolher as alterações necessárias que levem á aprovação do projeto adequadamente.

Domingos F. O. Azevedo

ANÁLISE NO ANSYS WORKBENCH Para se utilizar das ferramentas para análise existentes no ambiente Static Structural do Ansys é imprescindível que se tenha um arquivo de desenho de computador pronto, que pode ser feito no próprio Ansys ou feito em qualquer um dos programas que o Ansys consiga obter informações do arquivo. Programas associativos Os programas podem ser associativos ou não associativos com o Ansys. Os programas associativos, ou seja, aqueles em que é possível conexão bidirecional, necessitam estar instalados previamente no mesmo computador que o Ansys. Para que os programas de CADD associativos ofereçam os recursos desejados estes requerem que um plug-in para o programa de desenho seja instalado com o Ansys. As interfaces de geometria associativa permitem que você faça alterações paramétricas em um sistema CAD ou conduzir essas mudanças de dentro ANSYS Workbench e quando a geometria atribuída no escopo é atualizada, ela persistirá se a topologia está presente no modelo atualizado. O Gerenciador de Seleções Nomeadas, disponíveis na maioria dos sistemas integrados CAD, fornece um meio para criar seleções personalizadas dentro dos sistemas CAD para uso em modelagem, discretização, e análise. CATIA V5 Associative Geometry Interface (*.CATPart, *.CATProduct); Creo Elements/Direct Modeling (*.pkg, *.bdl, *.ses, *.sda, *.sdp, *.sdac, *.sdpc); Creo Parametric (formerly Pro/ENGINEER) Associative Geometry Interface (*.prt, *.asm); Autodesk Inventor Associative Geometry Interface (*.ipt, *.iam); NX Associative Geometry Interface (*.prt); Solid Edge (*.par, *.asm, *.psm, *.pwd); SolidWorks Associative Geometry Interface (*.sldprt, *.sldasm) e Design Modeler (ANSYS) (*.agdb). A vantagem de utilização de programas associativos é que os programas se comunicam entre si podendo trocar informações para sua atualização, ou seja, além de entender as mudanças de geometria da peça, o Ansys também pode importar

Análise Estrutural com ANSYS Workbench V15 outras informações, tais como material, por exemplo, ou enviar informações para a melhoria da peça alterando forma, material, etc. Em programas de desenhos associativos pode-se trabalhar com Ansys simultaneamente ou até iniciar o Ansys Workbench através do programa de desenho. Vide exemplo na figura a seguir.

Figura 19: Associação do Ansys na interface do Autodesk Inventor. Programas Não-Associativos: O Ansys poderá “ler” diversos outros arquivos de desenho, mas com limitações. Estes arquivos são de programas não associativos e não necessitam estar instalados no computador. ACIS (*.sat, *.sab); Autodesk Inventor Reader (*.ipt, *.iam); ANSYS BladeGen (.bgd); CATIA V4 Reader (*.model, *.exp, *.session, *.dlv); CATIA V5 Reader (*.CATPart, *.CATProduct); CATIA V6 Reader (*.3dxml); Creo Parametric (formerly Pro/ENGINEER) Reader (*.prt, *.asm); GAMBIT (*.dbs); IGES (*.igs, *.iges);

Domingos F. O. Azevedo JT Reader (*.jt); Monte Carlo N-Particle (*.mcnp); NX Reader (*.prt); Parasolid (*.x_t, *.xmt_txt, *.x_b, *.xmt_bin); SolidWorks Reader (*.sldprt, *.sldasm); STEP (*.stp, *.step)Parasolid (14.1); ACIS (*.sat, *.sab); Autodesk Inventor Reader (*.ipt, *.iam) e IGES r 4.0, 5.2, 5.3. A grande maioria de programas de desenho não associativos requer que se especifique a unidade de comprimento utilizada no desenho. Desenhos feitos no próprio Ansys através do Design Modeler, ou seja, naturais do Ansys possuem a vantagem de serem mais bem compreendidos no momento da análise e facilmente alterados, embora desenhos complexos sejam mais difíceis de serem desenhados no Design Modeler, que em softwares especializados em desenho, pois o processo é mais burocrático. O Design Modeler também pode ser utilizado para simplificar a geometria ou converter o arquivo nativo em arquivo do Design Modeler (*.agdb). Outra funcionalidade que eventualmente pode ser interessante Design Modeler é a possibilidade de criar geometrias simples rapidamente sem necessidade de qualquer outro programa CADD. Alguns arquivos de programas, Não associativos, não podem ser utilizados diretamente no Ansys para análises, necessitando serem abertos e salvos como arquivos do Design Modeler (*.agdb). Exportação de Geometrias Com o Design Modeler é possível exportar arquivos para os seguintes tipos: Design Modeler (*.agdb); IGES (*.igs, *.iges); ANSYS MAPDL (*.anf); Monte Carlo N-Particle (*.mcnp); Parasolid (*.x_t, *.xmt_txt, *.x_b, *.xmt_bin) e STEP (*.stp, *.step).

Análise Estrutural com ANSYS Workbench V15

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.

Domingos F. O. Azevedo O ANSYS Workbench transfere automaticamente os dados entre as células. 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: Inserindo uma análise num novo projeto do Ansys Workbench.

Análise Estrutural com ANSYS Workbench V15

INTERFACE DO ANSYS WORKBENCH O Ansys Workbench possui uma interface de gerenciamento que permite organizar as análises de um determinado projeto. Iniciar uma análise e criar análises acopladas ou não. A interface inicial do Ansys Workbench na versão V15 está conforme mostrado na figura a seguir.

Área dos menus

Área de Ferramentas Área do projeto

Área de mensagens

Figura 22: Interface do Ansys Workbench (Gerenciador). A partir desta interface podem-se definir as análises de um determinado projeto arrastando-se os sistemas de análises desejados do Toolbox para a área do projeto (Project Schematic) acoplando-as ou não. Na figura anterior, tem-se o acoplamento de duas análises estáticas (Static Structural) as linhas interligando as duas tabelas indicam o acoplamento, mas poderiam ser acopladas de tipos diferentes.

Domingos F. O. Azevedo Estão disponíveis análises de tipos diferentes prontas para os casos mais comuns na Toolbox em Analysis Systems, tais como, Explicit Dynamics (Dinâmica explícita), Fluid Flow (Fluxo de fluidos), Modal, Static Structural (Estrutural estática), Steady-State Thermal (Estado de equilíbrio térmico) e muitas outras. Vide figura a seguir.

Sistemas de Análises – são sistemas de análises prontas para os casos mais comuns

Componentes de Sistemas – são partes de sistemas que podem ser usados separadamente Sistemas Personalizados – são sistemas que podem ser configurados da maneira que o analista preferir Exploração de Projeto – são ferramentas para melhoria do projeto e compreender as respostas paramétricas

Figura 23: Caixa de Ferramentas do Ansys Workbench (Gerenciador).

Análise Estrutural com ANSYS Workbench V15 Do Toolbox pode-se também utilizar componentes isolados a partir de Component Systems para um caso em especial, a partir de Custom Systems podese criar sistemas personalizados para a automatização de análises frequentemente necessárias ou a partir de Design Exploration realizar a melhoria de projetos e compreender como as alterações de parâmetros podem afetar um projeto. Quando um novo projeto é iniciado com uma análise a partir do Toolbox ele aparecerá conforme mostrado na Figura 21. A análise escolhida aparecerá como uma tabela com células das principais etapas daquela análise, conforme mostrado na figura anterior. Cada uma das células tem seu nome de identificação, por exemplo, Geometry, que se refere ao arquivo desenho ou Setup, que se refere á preparação. E também um símbolo que mostra o estado daquela etapa, se concluída, necessitando atualização, etc. Vide Tabela 2. Tabela 2: Tipos de estados das células e significado Símbolo

Significado Atualizado. Revisão requerida. Dados importantes foram alterados. Atualização requerida. Dados locais foram alterados. Etapa á cumprir. Dados locais não existem. Atenção requerida. Resolvendo Atualização Falhou Atualização interrompida. Alterações pendentes. (Foi atualizado, mas dados importantes foram alterados).

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.

Domingos F. O. Azevedo 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.

Pré-Processamento

(Pós-processamento)

Figura 24: Definições de pré-processamento e pós-processamento no Ansys. 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.

Análise Estrutural com ANSYS Workbench V15

Figura 25: 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 26: Visualização de resultados de tensão e de deslocamento em uma peça. Após deve-se selecionar ou desenhar a geometria (peça ou conjunto), neste exemplo será utilizado uma geometria pronta (peça). Para isto, clica-se

Domingos F. O. Azevedo como botão direito do mouse sobre geometria e seleciona-se “Import Geometry” > Browse... Vide figura a seguir.

Figura 27: 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 28: Localizando o arquivo da geometria.

Análise Estrutural com ANSYS Workbench V15 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.

Figura 29: 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 30: Interface para a análise estrutural.

Domingos F. O. Azevedo 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.  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.

Análise Estrutural com ANSYS Workbench V15

Figura 31: Atribuição das condições de contorno.

COMO ALTERAR O MATERIAL DAS PEÇAS Ao iniciar o ambiente é atribuído automaticamente Aço Estrutural (Structural Steel) como material da peça(s) e se for necessário alterar, devese 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.

Domingos F. O. Azevedo

Figura 32: 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.

Análise Estrutural com ANSYS Workbench V15 Barra de menus

Caixa de Ferramentas

Barra de Ferramentas

Tabela da propriedade Lista de Tipos de materiais conforme características Gráfico da Propriedade

Lista de materiais do tipo selecionado Propriedades do material selecionado

Figura 33: 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 34: Área de materiais do tipo selecionado (Engineering Data).

Domingos F. O. Azevedo Ao selecionar um material as propriedades deste serão mostradas logo abaixo. Vide figura a seguir.

Figura 35: 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” versão 14 ou fechar Engineering Data Sources ou Engineering Data (versão 15).

Figura 36: Seleção do material e retorno ao projeto.

Análise Estrutural com ANSYS Workbench V15

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 37: Atribuição do material na interface de simulação.

Domingos F. O. Azevedo

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. Menus e Barras de Ferramentas

Painel da Árvore

Janela Gráfica

Simulation Wizard

Painel de Detalhes da Árvore Abas de Opções do Documento Barra de Status

Figura 38: Interface do ambiente do Static Structural - Mechanical. No Painel da Árvore (Outline) 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.

Análise Estrutural com ANSYS Workbench V15 Na janela Mechanical Application Wizard se tem opções de orientação para montagem da simulação. Esta janela pode ou não ser mostrada conforme especificação do usuário. 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. Barra de Menus Principal

Barra de ferramentas Padrão

Barra de ferramentas com Seleção de Grupo

Barra de ferramentas de Contexto

Barra de ferramentas Gráficas de contorno

Barra de ferramentas Gráficas

Figura 39: Barras de menus e de ferramentas. Na figura abaixo aparece a Barra de Ferramentas Padrão detalhada. Criar Plano de Seção

Simulation Wizard

Gerador

Resolver

Mostrar Erros

Gráfico / Tabela

Rótulo

Comentário

Figura

Planilha

Inform. Seleção

Figura 40: Barra de ferramentas padrão detalhada. Os ícones mostrados na Barra Padrão oferecem as seguintes opções:

Domingos F. O. Azevedo Clicando em Mechanical Application Wizard habilita ou não a janela de auxilio á simulação. O ícone Gerador de Objetos permite criar temporariamente objetos simples em análise de conjuntos. 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 a seguir, 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.

Análise Estrutural com ANSYS Workbench V15 Criar um grupo

Selecionar itens do grupo

Nome do Grupo, alternar entre os grupos

Suprimir ou Habilitar grupo

Controle de Visibilidade de itens

Figura 41: Barra de seleção de grupos detalhada. Para criação de um grupo de peças, por exemplo, é necessário primeiro selecionar as peças e depois clicar no ícone Criar um Grupo. Obs. Será necessário nomear este grupo. Com a Barra de cálculo para Conversão de unidades é possível converter valores de uma unidade de medida para outra unidade equivalente. Vide figura abaixo.

Seleção de tipo

Seleção Quantidade e unidade Base

Conversão da quantidade e Seleção de unidade

Figura 42: Barra de cálculo para conversão de unidades detalhada. Na figura abaixo aparece o detalhamento da Barra de Ferramentas Gráficas. Adjacente

Rótulo

Direção

Box / Simples

Filtro de Seleção

Manipulação

Ajuste

Aramado

Olhar Para

Janelas

Figura 43: Barra de ferramentas gráficas, detalhada. O ícone Adjacente, que aparece inativo na figura anterior, permite acrescentar entidades adjacentes á uma entidade selecionada da peça ou a própria peça.

Domingos F. O. Azevedo O ícone Direção não executa uma atividade especifica se clicado, ele apenas mostra se esta ativa ou não a seleção de uma entidade Face ou aresta de uma peça para a definição de direção e sentido. O ícone Box / Simples permite alternar entre os dois métodos de seleção, ou seja, selecionar uma entidade simples clicando sobre elas ou todas as entidades dentro de uma caixa. O ícone Ajuste, quando clicado, coloca todas as peças existentes e ativas do modelo visíveis e ajustadas na Janela Gráfica. O ícone Aramado, quando clicado, muda o tipo de Janela Gráfica mostrando apenas as arestas das peças do modelo. Quando clicado o ícone Rótulo, permite que os rótulos que aparecem indicando as condições de contorno, por exemplo, possam ser re-posicionados, arrastando-os para um outro local da peça. Os ícones do Filtro de Seleção preestabelecem o tipo de entidades que serão selecionadas para definir contato, forças, apoios, etc. Os ícones de manipulação possibilitam selecionar o tipo de movimentação visual das peças na Janela Gráfica, posicionado, rotacionando, etc. O ícone Olhar Para, permite a visualização de uma face que já estiver selecionada, centralizada e á frente na Janela Gráfica. O ícone Janelas permite a organização e controle da quantidade de Janelas Gráficas ativas. A barra de ferramentas de Contexto tem seu conteúdo alterado sempre que um item diferente da Árvore é selecionado, disponibilizando as ferramentas relacionadas a este item. Vide figura abaixo.

Análise Estrutural com ANSYS Workbench V15

A Barra de Ferramentas de Contexto é atualizada dependendo do item selecionado no Painel da Árvore (Outline)

Figura 44: Atualização da Barra de contexto. Painel da Árvore No Painel da Árvore existem várias pastas cada uma contendo as definições relativas àquele tópico. Estas pastas estão contidas na pasta Project e referem-se ao projeto ativo. Na pasta Project está a pasta, Model, dentro da pasta Model encontra-se a pasta Static Structural e dentro desta, a pasta Solution.

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Projeto de Análise

Modelo de Análise Detalhes da Geometria: Peças

Malha Condições de Contorno

Detalhes de Contorno Solução

Resultados Desejados

Figura 45: Painel da árvore detalhada. Cada uma das pastas é dependente das definições contidas nelas. Na pasta Model (Modelo) aparece a geometria da peça ou conjunto a ser analisado e também a Mesh (Malha), que é a discretização da geometria, além destes contém a pasta Static Structural (Análise Estática) que deve ter todas as condições de contorno para efetuar a análise. Dentro da pasta Static Structural está a pasta Solution (Solução) que deve conter as soluções desejadas para a análise da geometria. O painel da árvore utiliza as seguintes convenções: Os ícones aparecem à esquerda de objetos na árvore. A intenção é a de fornecer uma referência visual para a identidade do objeto. Por exemplo, os ícones de peças e objetos do corpo (dentro da pasta objeto Geometry) podem ajudar a distinguir sólido, superfície e corpos de linha. Um símbolo

à esquerda de ícone de um item indica que ele contém

subitens associados. Clique para expandir o item e exibir seu conteúdo. Para recolher todos os itens expandidos de uma só vez, clique duas vezes o nome do projeto no topo da árvore.

Análise Estrutural com ANSYS Workbench V15 Está disponível a função de arrastar-e-soltar para mover e copiar objetos. Para excluir um objeto da árvore do esboço da árvore, clique com o botão direito no objeto e selecione Delete (Excluir). Um diálogo de confirmação pergunta se você deseja excluir o objeto. Filtro de conteúdo da árvore e expanda a árvore através da criação de um filtro e, em seguida, clique no botão Atualizar em Expandir.

Símbolos de Status Como descrito anteriormente, um pequeno ícone é mostrado a esquerda do objeto na árvore para indicar o seu status. Tabela 3: Símbolos de status em Outline (Painel da árvore) Nome do Símbolo Status Underdefined Não definido Error Erro Falha em Mapped Face ou Match Control

Símbolo

Exemplo A carga requer magnitude diferente de zero. Carga anexas podem parar durante a atualização. Face não pôde ser mapeada, ou a malha do par de faces não podem ser combinadas.

Ok

Needs to be Updated Necessita atualização Hidden Oculto Meshed Discretizado

Suppress Suprimido Solve Solução

O objeto está definido apropriadamente ou qualquer ação específica obteve sucesso. Necessita atualização. Um corpo ou peça está oculto. The symbol appears for a meshed body within the Geometry folder, or for a multibody part whose child bodies are all meshed. Um objeto foi suprimido. Raio amarelo indica o item não resolvido ainda. Raio verde indica que o item está sendo resolvido. Marca de checagem indica sucesso na solução. Raio vermelho indica que houve falha na solução. Um ícone de pausa sobreposto que a solução poderá ser reiniciada. Seta verde para baixo indica sucesso na solução e pronta para download. Seta vermelha para baixo indica falha na solução e pronta para download.

Domingos F. O. Azevedo Painel de Detalhes Depois de estabelecidas a geometria, as condições de contorno, materiais e soluções desejadas, pode-se verificar ou definir detalhes do modelo da análise, seleciona-se o item desejado e aparecerão no Painel de detalhes da árvore todos os detalhes relativos àquele item. Vide figura abaixo. A seleção na árvore define o que deve ser mostrado na área abaixo

Alguns detalhes, tais como a geometria deve ser selecionada pelo projetista.

Algumas opções podem ser oferecidas ao projetista na forma de menus.

Os campos em cinza não podem ser alterados pelo projetista

Figura 46: Painel de detalhes. Quando se altera a seleção na árvore, detalhes daquele item serão mostrados, os detalhes mostrados em campos cinza não podem ser modificados, mas os demais itens podem ser alterados, alguns destes itens referem-se a entidades que devem ser selecionadas, por exemplo, superfícies de apoio, como mostrado na figura acima. Outros itens que necessitam de entrada de informações são; valores de força, pressão, etc. que complementam as condições de contorno, o campo para entrar com estes valores é denominado Magnitude. Se um item da solução (Solution) é selecionado na árvore serão mostrados: a quantidade entidades analisadas, o tipo de definição ou resultado estabelecido e os resultados numéricos; máximo e mínimo.

Análise Estrutural com ANSYS Workbench V15 Se a Mesh (Malha) for selecionada na árvore, será mostrado o tipo de método utilizado para obtê-la e a quantidade de nós e elementos gerados. Se o item Geometria for selecionado na árvore, serão mostrados os detalhes relativos á peça ou conjunto de peças da análise, tais como, localização do arquivo, propriedades de massa e volume, quantidade de peças e muitas outras informações. Se uma peça em especial for selecionada na árvore serão mostradas informações relacionadas apenas a esta peça, tais como, propriedades gráficas (visibilidade, transparência e cor), definições de material, propriedades de material, etc. Janela Gráfica Na janela gráfica são mostrados além da geometria das peças da análise, também as condições de contorno ou os resultados, correspondente ao item que estiver selecionado na árvore ou a aba do documento. Durante a exibição da imagem da geometria é possível interagir com a vista movendo, rotacionando, aumentando ou reduzindo sua visualização, também se pode selecionar arestas, superfícies ou corpos para defini-los como referências de apoios ou cargas. Abas da Janela Gráfica (Opções do documento) Existem três abas do documento que se selecionadas podem mostrar na janela gráfica informações diversas, são elas; Geometry, Print Preview e Report Preview. Com a aba Geometry selecionada são mostradas além da geometria, as condições de contorno e resultados conforme combinação de seleção na árvore. Com a aba Print Preview selecionada é possível ver como será impressa a imagem da janela gráfica. Com a aba Report Preview selecionada é possível estabelecer como o relatório da análise será montado, quais itens devem aparecer e quais itens não devem aparecer, posição das figuras, etc.

Domingos F. O. Azevedo

Figura 47: Abas do Static Structural.

Análise Estrutural com ANSYS Workbench V15 Janela Mechanical Application Wizard A janela Mechanical Application Wizard auxilia a execução da análise indicando ao projetista onde estão as ferramentas e a ordem em que devem preferencialmente ser feitos os procedimentos antes da análise. Vide figura a seguir.

Etapas Requeridas

Verificar Material

Inserir Cargas

Inserir Apoios

Inserir Resultados Desejados

Resolver

Ver Resultados

Ver Relatório

Figura 48: Mechanical Application Wizard com as etapas de Simulação. Ao selecionar um item no Mechanical Application Wizard é indicado na interface onde se localizam as ferramentas para executar aquele procedimento. Ao iniciar o Static Structural a janela Mechanical Application Wizard é iniciada automaticamente, se na última que foi utilizado estava habilitada.

Domingos F. O. Azevedo Barra de Status Na Barra de Status podem ser mostrados os valores das áreas de superfície, comprimentos, etc. das entidades selecionadas. Vide figura a seguir.

Área da superfície

Comprimento da Aresta

Figura 49: Barra de status mostrando valores das entidades selecionadas.

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Etapas da análise 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 na 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.  Atribui-se o material para cada uma das peças.  Aplicam-se as restrições (apoios) e carregamentos desejados nos locais adequados.  Estabelecem-se as condições de formação da malha e análise.  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.  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 e informações insuficientes para o pré-processamento que, geralmente ocorre nas condições de contorno.

Domingos F. O. Azevedo

Pré-processamento no Ansys Workbench Pré-processamento são as definições estabelecidas antes da simulação que determinam o que será analisado e em que condição será feita a análise. Os objetos á serem analisados, o material de cada peça, as condições de contorno e malha faz parte do pré-processamento. Especificamente no ambiente do Static Structural para análise estrutural do software Ansys Worbench pode-se configurar a malha de várias maneiras diferentes.

Malha (Mesh) A malha pode ser criada a partir de configurações globais ou locais. Em detalhes da malha pode-se configurar como a malha deve ser criada e tem efeito sobre todos os corpos da análise, pois são configurações globais. Ao clicar com botão direito do mouse sobre Mesh no menu de opções aparece Generate Mesh, que ao clicar inicia o processo de discretização conforme as configurações padrão e a peça que a princípio era contínua torna-se sub-dividida em elementos e nós. Vide figura a seguir.

Figura 50: Detalhes da malha e geração. Para análise estrutural (Static Structural) a opção padrão em Physics Preference é Mechanical. Com esta opção em detalhes da malha as configurações especiais para melhores condições de análise. Para outros tipos de análise existem ainda Electromagnetics, CFD e Explicit. Vide figura a seguir.

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Figura 51: Geração da malha com relevância padrão (0). A relevância padrão é zero, mas pode ser configurada de -100 (malha grosseira) até +100 (malha fina). A malha mais fina demanda mais tempo de processamento e mais recursos de memória do computador. Vide exemplos com as duas configurações extremas.

Figura 52: Geração da malha com relevância -100 e +100. Outra configuração que pode ser realizada e válida para toda peça é a função avançada de tamanho ou dimensionamento (Use Advanced Size Function) que normalmente está desligada (Off). Vide figura a seguir.

Figura 53: Configuração de Dimensionamento (Sizing).

Domingos F. O. Azevedo As opções para Dimensionamento (Sizing) são aquelas mostradas na figura anterior, ou seja, curvatura, proximidade e fixa, sendo que curvatura e proximidade podem ser combinadas. Quando o dimensionamento (Sizing) está habilitado pode-se configurar o Relevance Center (Centro de relevância), Smoothing (Suavização), Transition (Transição) e Span Angle Center (Centro do Ângulo de Expansão): Relevance Center (Centro de relevância) como: Coarse (Grossa), Medium (Média) ou Fine (Fina). Smoothing (Suavização) como: Low (Baixa), Medium (Média) ou High e (Alta). Transition (Transição) como: Fast (Rápida) ou Slow (Lenta). E Span Angle Center (Centro do Ângulo de Expansão) Coarse (Grossa), Medium (Média) ou Fine (Fina). Se Curvature estiver habilitado pode-se especificar também o ângulo em Curvature Normal Angle. Vide figuras a seguir.

Figura 54: Configuração de Curvatura 60° (Curvature). Após configurar Curvatura deve-se especificar o ângulo máximo de abertura do elemento junto a superfícies curvas (Span Angle Center). Vide figuras anterior e a seguir.

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Figura 55: Configuração de Curvatura 20° (Curvature). Após configurar o dimensionamento (Sizing) para Proximidade altera-se Num Cells Across Gap com a quantidade de elementos desejada entre superfícies próximas. A configuração de proximidade permite que regiões geralmente, críticas da peça tenham mais elementos/nós sem a necessidade de aplicar numerosos controles locais de malha em peças mais complexas.

Figura 56: Configuração de Proximidade 2 (Num Cells Across Gap). O padrão de Num Cells Across Gap são 3 elementos, mas podem ser alterados para qualquer valor positivo. Quando digitado 0 (zero) volta o padrão.

Domingos F. O. Azevedo

Figura 57: Configuração de Proximidade 5 (Num Cells Across Gap). Em Advanced (Avançado) existem outras configurações possíveis: Shape Checking (Checagem de forma): Standard Mechanical (análise estrutural clássica)– Tensões lineares, análise Modal e analise térmica. Agressive Mechanical (análise estrutural)– grandes deformações e materiais com características de não linearidade. Element Midside Nodes (Nós nas médias laterais do elemento): O padrão é controlado pelo programa, mas pode ser configurado para Dropped (Sem nós intermediários) ou Kept (Mantidos nós intermediários). Numbers of Retries (Número de tentativas) – se a qualidade da malha for muito pobre, o discretizador fará novas tentativas para obter malhas mais finas. Em Mesh Morphing (Transformação da malha) – permite configurar que a malha seja gerada conforme mudanças na geometria. Vide figura a seguir.

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Figura 58: Configurações Avançadas de Malha (Advanced).

Defeaturing (Descaracterização) Na configuração realizada em Defeaturing (Descaracterização) em Detalhes da Malha pode se remover todas as pequenas características de uma peça de uma só vez, mas que atendam a configuração estabelecida pelo analista. As opções para configuração e valores comuns são: Pinch Tolerance (Tolerância de Arranque) = 0,05mm, Generate Pinch on Refresh (Gerar Arranque na Atualização) = Yes, Automatic Mesh Based Defeaturing (Discretizar a Malha Automaticamente Baseada na

Descaracterização)

=

On

e

Defeaturing

Tolerance

(Tolerância

de

Descaracterização) igual ou maior que a altura da característica. Vide exemplo na figura a seguir.

Figura 59: Defeaturing (Descaracterização) configuração e resultado.

Domingos F. O. Azevedo No exemplo da figura anterior a altura da característica em cruz é 0,2mm, portanto, o valor para Defeaturing Tolerance (Tolerância de Descaracterização) deve ser igual ou maior que a característica á remover.

Vide configurações globais na tabela na tabela a seguir. Tabela 4: 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.

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.

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.

Sizing (Dimensionamento)

Inflation (Inflação)

Análise Estrutural com ANSYS Workbench V15 Controle

Patch Conforming Options (Opções do arranjo de conformação)

Advanced (Avançado)

Defeaturing (Descaracterização)

Statistics (Estatísticas)

Valores / Opções

Padrão / Tipo de especificação

Opções avançadas de visualização

Não (padrão) ou Sim.

Discretizador triangular de superfície

Controlado pelo programa (padrão) ou frente de avanço.

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.

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

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.

Domingos F. O. Azevedo São eles: Method (Método), Mesh Group (Grupo de malha – Para interface Fluído/Sólido), Sizing (Dimensionamento), Contact Sizing (Dimensionamento de Contato),

Refinament

(Refinamento),

Mapped

Face

Meshing

(Discretização

Mapeada de Face), Match Control (Controle de Início), Pinch (Fisgar) e Inflation (Inflação).

Method (Método) Em Method (Método) pode-se definir como a malha será criada para toda peça. No padrão Automático dependendo do formato da peça será feita uma varredura, caso contrário, Será criada uma malha conforme a região da peça com tetraedros.

Figura 60: Tipos de elementos para objetos sólidos. Além do padrão Automático, tem-se: Tetraedros: Patch Conforming e Patch Independent. Com Patch Conforming a malha é criada seguindo as formas da peça. Com Patch Independent a malha é criada independente da forma na peça. Multizone – Principalmente criada com elementos hexaédricos. Hex Dominant – Malha criada preferencialmente com hexaedros. Sweep – Varredura

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Figura 61: Opções para configuração de Method (Método).

Figura 62: Hex Dominant Method (Método com Dominância de Hexaedros). Na figura anterior, mostram-se na peça que foram criados elementos hexaédricos grandes e pequenos e de boa qualidade, mas nem toda geometria possibilita a utilização deste tipo de elemento, portanto, foram utilizados também elementos tetraédricos, piramidais, em formato de cunha. O gráfico que aparece na mesma figura mostra a qualidade dos elementos de cada tipo. Sendo 0 (zero) os de pior qualidade e 1 (um) os de melhor qualidade.

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Figura 63: Tetrahedrons Method (Método com Tetraedros). Na figura anterior, a peça foi discretizada com Patch Conforming Method (Método de arranjo de conformação) configurado para elementos tetraédricos, na peça todos os elementos são deste tipo, pois estes se adaptam facilmente a qualquer tipo de contorno. Existem elementos de qualidade ruim, média e boa.

Figura 64: Patch Independent (Caminho Independente). Na figura anterior são mostradas as etapas de criação da malha com (Patch Independent) caminho independente da forma da peça. No exemplo, toda a peça é envolvida por uma malha de tetraedros e posteriormente são aparadas as sobras no contorno do objeto. Na figura a seguir, é mostrada uma peça do tipo adequada ao Sweep Method (Método de Varredura) com elementos hexaédricos.

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Figura 65: Sweep Method (Método com Varredura).

Figura 66: Multizone Method (Método multi - zonas). O método de malha multi-zona, é uma técnica de arranjo articulado independente (Patch Independent), proporciona decomposição automática de geometria em regiões mapeadas (sweepable) e regiões livres. Quando o método de malha MultiZone for selecionado, todas as regiões são discretizadas com uma malha pura de hexaedros, se possível. Para lidar com casos em que uma malha hexagonal pura não será possível, podem-se ajustar suas configurações para que a malha criada seja gerada em regiões estruturadas e uma malha livre será gerada em regiões não estruturadas.

Domingos F. O. Azevedo Sizing (Dimensionamento) Sizing (Dimensionamento) é uma configuração que pode ser realizada com duas opções, Element Size (Tamanho de elemento) e Sphere of influence (Esfera de influência). Element Size (Tamanho de elemento) de Sizing (Dimensionamento) é uma opção que permite definir o tamanho dos elementos para corpos, faces ou arestas. Se um corpo for selecionado o tamanho do elemento será válido para todo corpo. Se uma aresta for selecionada pode-se estabelecer o tamanho do elemento (Edge Size – Element Size) ou número de divisões da aresta (Number of Divisions). Também é possível configurar Suave ou Forçada.

Figura 67: Sizing – Element Size (Tamanho do elemento) configuração e resultado. Se um vértice for selecionado apenas Sphere of Influence (Esfera de influência) estará disponível e se deve especificar o raio da esfera e o tamanho do elemento dentro da esfera.

Figura 68: Sizing – Sphere of Influence (Esfera de influência) configuração e resultado.

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Contact Sizing (Dimensionamento de contato) Contact Sizing (Dimensionamento de contato) é um tipo de configuração que permite estabelecer o tamanho aproximado dos elementos na região de contato entre peças e são gerados elementos de tamanhos próximos. São válidas as regiões de contato entre face/face ou face/aresta. Podem ser especificados Element Size ou Relevance. Na opção Element Size deve-se especificar o tamanho ideal do elemento e em Relevance deve-se escolher um valor entre -100 (malha grosseira) e +100 (malha fina). Vide figura a seguir com a configuração 100 e +100 de Relevance.

Figura 69: Contact Sizing – Relevance (Relevância) resultado. Refinament (Refinamento) O Refinament (Refinamento) pode ser aplicado em vértices, arestas e faces de uma peça e o seu efeito sobre a malha inicial é sua subdivisão nas proximidades do local selecionado. O

método

de

refinamento

geralmente

oferece

menos

controle

ou

previsibilidade sobre a malha final, pois uma malha inicial é simplemente dividida. Este processo de divisão pode afetar adversamente outros controles de malha também. O refinamento em determinada região crítica da peça pode trazer benefícios como a convergência de resultados, mas também aumenta a quantidade de nós no local e isto impõe que mais tempo de processamento e memória serão necessários do que sem o refinamento. Uma vez que o aumento da quantidade de nós da malha é apenas local pode ser bastante interessante na maioria dos casos.

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Figura 70: Refinament (Refinamento) configuração e resultado. No refinamento a subdivisão pode ser configurada de 1 (um) a 3 (três), no exemplo da figura anterior, a face do furo foi selecionada e refinada com 2 (dois).

Mapped Face Meshing (Discretização mapeada de face) Mapped Face Meshing (Discretização mapeada de face) gera uma malha estruturada nas superfícies da peça.

O mapeamento da face irá falhar se, um padrão óbvio não for reconhecido. Por este motivo, as peças deve ter simetría naquela face selecionada. Para algumas peças a simples seleção de uma face é suficiente para o mapeamento, não havendo a necessidade de especificar vértices de referência. Nestes casos, pode-se especificar a quantidade de divisões. Vide exemplo na figura a seguir.

Figura 71: Mapped Face Meshing – (Discretização mapeada de face) . Na figura anterior, da esquerda para direita tem-se a peça não mapeada, mapeada na face superior com a divisão padrão (três divisões) e mapeada com dez divisões. Neste exemplo, não foram especificados os pontos de referência para o mapeamento.

Análise Estrutural com ANSYS Workbench V15

Figura 72: Mapped Face Meshing – (Discretização mapeada de face) com pontos. Na figura anterior, as peças tiveram vértices selecionados e indicados por círculos em vermelho foram selecionados como “Ends” e vértices indicados pelos círculos amarelos foram selecionados como “Sides”. Nota-se que o tipo e quantidade de vértices selecionados altera a forma da malha. Comumente, ocorre erro na malha se a seleção de vértices não for um mapeamento óbvio.

Figura 73: Mapped Face Meshing – (Discretização mapeada de face) configuração. A configuração para mapeamento de face na peça á direita da Figura 72 é mostrada nesta nova figura acima com a face e vértices selecionados. Nota: A especificação de “Corners” somente é feita para cantos internos.

Pinch (Arrancar) O recurso para arrancar “Pinch” permite remover pequenas características (tais como bordas curtas e regiões estreitas) ao nível de malha, a fim de gerar elementos de melhor qualidade em torno dessas características. O recurso para

Domingos F. O. Azevedo arrancar “Pinch” fornece uma alternativa à topologia virtual, que funciona no nível de geometria. As duas características funcionam em conjugação um com o outro para simplificar as restrições de malha devido a pequenas características em um modelo que de outra forma tornam difícil a obtenção de uma malha satisfatória. Quando os controles de arranque (Pinch) são definidos, as pequenas características no modelo que atendam aos critérios estabelecidos pelos controles serão "arrancados", removendo as características da malha. Na configuração realizada em Pinch (Arrancar) para sólidos devem-se selecionar todas as arestas de contorno numa das faces que gera a característica á remover como “Master Geometry” e as arestas de contorno no limite á ser mantido como “Slave Geometry”. Em Tolerance (Tolerância) o valor deve ser igual ou maior que a altura da característica. Vide exemplo na figura a seguir.

Figura 74: Pinch (Arrancar) geometria e configuração. No exemplo da figura anterior a altura da característica em cruz é 0,2mm, portanto, o valor para Tolerance (Tolerância) deve ser igual ou maior que a característica á remover.

Figura 75: Pinch (Arrancar) resultado.

Análise Estrutural com ANSYS Workbench V15 A grande vantagem deste recurso sobre o Defeaturing (Descaracterização) é que o analista pode escolher o que deseja remover dentro do próprio ambiente de análise, ou seja, sem necessidade de um programa de desenho. Embora, num programa de desenho seja, na grande maioria dos casos, mais fácil e rápido realizar este procedimento. É importante ressaltar que as características á remover devem estar longe das regiões críticas para que não afetem os resultados de maneira significativa.

Inflation (Inflação) O controle de Inflação é usado para criar camadas sucessivamente mais espaçadas ao longo de fronteiras escolhidas. As fronteiras devem ser arestas da peça e uma ou mais faces de referência. As arestas devem ser fronteira da face escolhida e podem ser curvas ou retas.

Figura 76: Inflation (Inflação) configuração e resultado. O controle de inflação possui algumas opções de configuração que determinam como será o crescimento das camadas da malha. Inflation Option (Opções de Inflação): Pode-se configurar a transição de camadas de três maneiras diferentes: Smooth Transition (Transição suave), First Layer Thickness (Espessura da primeira camada) e Total Thickness – (Espessura total), conforme valores inseridos em Numbers of Layers (Número de Camadas), Growth Rate (taxa de Crescimento) e Maximum Thickness (Espessura Máxima). Smooth Transition (Transição suave) para uma transição suave entre as camadas sucessivas. First Layer Thickness (Espessura da primeira camada) esta opção cria camadas de inflação constantes usando o valor da primeira altura de Camada como

Domingos F. O. Azevedo referência para as outras camadas estabelecidas em “Numbers of layers”, e controla a taxa de crescimento para gerar a malha inflação. É necessário inserir o valor da espessura da primeira camada. Total Thickness – (Espessura total) esta opção cria camadas constantes de inflação utilizando os valores do número de camadas e a Taxa de Crescimento (Growth Rate) as controla para obter uma espessura total, tal como definido pelo valor do controle de espessura máxima “Maximum Thickness”. Vide figura a seguir. O controle de inflação é mais usado com na análise Fluido dinâmico (CFD) e de Eletromagnetismo (EMAG). Mas pode ser usado na análise estrutural identificar concentração de tensões nas respectivas regiões.

Figura 77: Inflation (Inflação) configuração e resultado - 2. Com uma malha de elementos de tamanho igual nas sucessivas camadas, também se tem maior quantidade de elementos e nós, e em determinada região evitam-se falsas identificações de concentrações de tensões. Vide a seguir tabela com os tipos de configurações possíveis.

Tabela 5: Tipos de configurações da malha em Mesh Control

Opções para Malha

Local de aplicação

Controle

Valores / Opções

Padrão / Tipo de especificação

Método de escopo

Seleção de geometria (padrão) ou seleção nomeada.

Geometria

Peças inteiras

Suprimida

Não (padrão) ou Sim.

Método

Automático

Escopo Method (Método automático)

Todos os corpos Definição

Análise Estrutural com ANSYS Workbench V15

Opções para Malha

Mesh Group (1) (Grupo de malha)

Local de aplicação

Corpos ou partes

Controle

Definição

Valores / Opções

Padrão / Tipo de especificação

Nós intermediários dos elementos

Usar configuração global (padrão), Verter ou manter.

Apenas para Fluido/Sólido

Atribuído pelo usuário.

Método de escopo

Seleção de geometria (padrão) ou seleção nomeada.

Geometria

Vértices, Arestas, Faces ou Peças inteiras.

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

Escopo

Sizing (Dimensionamento)

Todos os corpos Definição

Escopo

Região de contato Suprimida

Contact Sizing (Dimensionamento de contato)

Conjuntos

Refinament (Refinamento)

Mapped Face Meshing (Discretização mapeada de face)

Tipo

Tamanho do elemento (padrão) ou Relevância.

Tamanho do elemento

Usuário define qualquer tamanho maior que zero.

Método de escopo

Seleção de geometria

Geometria

Atribuído pelo usuário.

Suprimida

Não (padrão) ou Sim.

Refinamento

De 1 a 3 atribuído pelo usuário.

Método de escopo

Seleção de geometria (padrão) ou seleção nomeada.

Geometria

Atribuído pelo usuário.

Suprimida

Não (padrão) ou Sim.

Definição

Escopo Vértices, Arestas ou Faces

Região de contato: Vértices, Arestas ou Faces. Não (padrão) ou Sim.

Definição

Escopo Faces Definição

Domingos F. O. Azevedo

Opções para Malha

Local de aplicação

Controle

Avançada

Valores / Opções

Padrão / Tipo de especificação

Restrição de fronteira

Não (padrão) ou Sim.

Especificar lados

Vértices atribuídos pelo usuário.

Especificar cantos

Vértices atribuídos pelo usuário.

Seleção de geometria alta

Vértices atribuídos pelo usuário. Arestas ou faces atribuídas pelo usuário.

Seleção de geometria baixa

Arestas ou faces atribuídas pelo usuário.

Suprimida

Não (padrão) ou Sim.

Transformação

Cíclica (padrão) ou arbitrária

Eixo de rotação

Sistema global de coordenadas

Controle de mensagens

Não (automático)

Seleção de geometria mestre

Vértices, Arestas, Faces atribuídas pelo usuário.

Seleção de geometria escrava

Vértices ou Arestas, atribuídas pelo usuário.

Suprimida

Não (padrão) ou Sim.

Tolerância

Atribuída pelo usuário

Método de escopo

Manual

Componente para arrancar características

Pré (automático) ou Pós

Método de escopo

Seleção de geometria (padrão) ou seleção nomeada.

Geometria

Faces ou corpos atribuídos pelo usuário.

Suprimida

Não (padrão) ou Sim.

Escopo de método de fronteira

Seleção de geometria (padrão) ou seleção nomeada.

Especificar finais

Escopo

Match Control (1) (Controle de Combinação)

Arestas e Faces Definição

Escopo

Pinch (Arrancar)

Vértices, Arestas ou Faces Definição

Inflation (Inflação)

Escopo Faces ou corpos Definição

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Opções para Malha

Local de aplicação

Controle

Valores / Opções

Padrão / Tipo de especificação

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)

(1) Nota: Mais usuais em análise de fluidos.

Qualidade da Malha A qualidade da malha dos elementos depende do arranjo destes elementos na peça e também da qualidade dos próprios elementos que a compoem. Sabe-se que quanto mais refinada for a malha, mais estará próxima do contínuo e portanto, melhores serão os resultados. Também que, elementos menores ou de ordem superior adaptam-se melhor a geometria da peça e com isto, fornecem melhores resultados. Entretanto, como mencionado anteriormente, malhas refinadas possuem mais elementos e nós, maior quantidade de cálculos e consequentemente mais tempo para obter os resultados. Estratégias bem elaboradas para a geração da malha podem dar o equilíbrio entre a qualidade com bons resultados e o tempo de espera para obtê-los. Entre as estratégias comuns destacam-se:

Domingos F. O. Azevedo Realizar uma primeira análise da peça ou conjunto com uma malha mais grosseira para fazer um juízo aproximado do comportamento das tensões e depois refinar a malha ou definir uma estratégia mais adequada para aquela situação. Simplificação ponderada da geometria, com supressão de características nas peças ou supressão de peças num conjunto, que irão influenciar pouco os resultados. Refinamento em regiões onde se percebe valores críticos de tensão. Após análises sucessivas com malhas diferentes, verificar se ocorre a convergência de resultados.

Qualidade dos Elementos (10) Ao discretizar um objeto, a malha pode ser formada por elementos de um tipo ou de vários tipos diferentes, dependendo da complexidade geométrica do objeto, para adaptarem-se a região do objeto e atender as configurações preestabelecidas de geração da malha. Alguns destes elementos podem não ter o formato ideal e certamente, podem influir negativamente nos resultados. No Ansys é possível verificar a qualidade dos elementos, sua distorção, quantidade de cada tipo, etc. Através da opção “Mesh Metric” (Métrica da Malha). A opção “Mesh Metric” (Metrica da Malha) permite visualizar malha informações métricas e, assim, avaliar a qualidade da malha. Depois de ter gerado uma malha, pode-se optar por visualizar informações sobre qualquer uma das seguintes métricas de malha: Qualidade dos elementos, relação de aspecto para triângulos ou quadriláteros, razão Jacobiana, fator de distorção, desvio paralelo, máximo ângulo do canto, assimetria, e qualidade ortogonal. Selecionar “None” desliga visualização da métrica da malha. (10). Quando é selecionada uma métrica de malha (Mesh Metric), são apresentados em detalhes da malha (Details of Mesh) os valores Minimo, Máximo, Médio e Desvio-padrão, e um gráfico de barras é exibido sob a janela de geometria. O gráfico é rotulado com barras com código de cores para cada elemento representado em forma de malha do modelo, e pode ser manipulado para visualizar as estatísticas de malha específicas de interesse. (10). Vide figura a seguir.

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Figura 78: “Mesh Metric” (Metrica da Malha) configuração e gráfico. Na figura anterior, a peça foi discretizada com o método hexaédrico dominante, mas a malha é composta por outros tipos de elementos. Em “Statistics” (Estatísticas) foi selecionada a opção “Element Quality” (Qualidade do Elemento) então são mostrados os valores mínimo, máximo, médio e desvio padrão, além do gráfico de barras verticais onde cada um dos tipos de elementos está representado por uma cor. No gráfico, a quantidade de elementos de cada tipo é mostrada na vertical e a qualidade dos elementos na horizontal. A opção “Element Quality” (Qualidade do Elemento) fornece uma métrica de qualidade composta que varia entre 0 e 1. Esta métrica é baseada na razão entre o volume da soma do quadrado dos comprimentos das arestas para elementos 2D quad / tri, ou a raiz quadrada do cubo da soma do quadrado dos comprimentos das arestas de elementos 3D. Um valor de 1 indica um cubo perfeito ou quadrada, enquanto um valor de 0 indica que o elemento tem um volume de zero ou negativo. Equação para elementos bidimensionais (quadrangulares e triangulares)

Domingos F. O. Azevedo Equação para elementos tridimensionais (todos os tipos)

Tabela 6: Valores de C para cada tipo de elemento Elemento Triangular Quadrangular Tetraédrico Hexagonal Cunha Piramidal

Valor de C 6.92820323 4.0 124.70765802 41.56921938 62.35382905 96

Figura 79: Gráfico de tipos, quantidade e qualidade de elementos.

Figura 80: Verificação de quantidade e valor de avaliação no gráfico.

Análise Estrutural com ANSYS Workbench V15 Ao clicar sobre uma das barras a quantidade de elementos e o valor de avaliação para aquela barra são mostrados. Na janela gráfica, na peça são mostrados apenas os elementos que compõe a barra. Vide figura a seguir.

Figura 81: Elementos do tipo posicionados na peça. Junto ao gráfico podem-se acessar os controles para configurá-lo, por exemplo, definindo para o eixo “Y” a quantidade de elementos ou porcentagem área/volume, quantidade de barras, valores extremos, etc. Vide figura a seguir.

Figura 82: Controles do gráfico de métrica da malha.

Domingos F. O. Azevedo Outras métricas podem ser realizadas e avaliam os elementos conforme descritos a seguir. Aspect Ratio Calculation for Triangles (relação de aspecto para triângulos). A melhor possível relação de aspecto de triângulos, por um triângulo equilátero, é 1. Um triângulo que tem uma relação de aspecto de 1 e outro de 20 são mostrados na figura a seguir.

Figura 83: Aspect Ratio Calculation for Triangles (relação de aspecto para triângulos). Comparação de elementos. Aspect Ratio Calculation for Quadrilaterals (relação de aspecto para quadriláteros). A melhor relação possível de aspecto para quadriláteros, para um quadrado, é 1. Um quadrilátero possuindo uma relação de aspecto de 1 e outro de 20 são mostrados na figura a seguir.

Figura 84: Aspect Ratio Calculation for Quadrilaterals (relação de aspecto para quadriláteros). Comparação de elementos.

Jacobian Ratio (Razão Jacobiana). Um triângulo ou tetraedro tem uma razão Jacobiana de 1 de cada nó médio, se houver nó médio, é posicionado na média dos locais dos nós de canto correspondentes. Caso contrário, se o elemento não possuir nós médios, não importa o quão distorcido o elemento possa ser. Assim, este cálculo é ignorado inteiramente para tais elementos. Movendo um nó médio longe da posição de ponto médio borda irá aumentar a proporção Jacobiana. Eventualmente, ainda que muito ténue movimento adicional vai quebrar o elemento Vide figura a seguir. Entende-se aqui como "quebrar" o elemento porque de repente muda de aceitável para inaceitável - "quebrado". O melhor valor da razão Jacobiana é 1.

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Figura 85: Jacobian Ratio (Razão Jacobiana) comparação de elementos. Warping Factor (fator de distorção) – O fator de distorção é calculado e testado para alguns elementos de casca quadrilaterais, e as faces quadrilaterais de hexaédros, cunhas e pirâmides. Um fator elevado pode indicar uma condição de formulação que o elemento subjacente não pode lidar bem, ou podem simplesmente sugerir uma falha na geração de malha. Quanto mais o valor do fator de distorção estiver próximo de zero, melhor. Vide figura a seguir.

Figura 86: Warping Factor (fator de distorção) comparação de elementos.

Parallel Deviation (desvio paralelo) - Ignorando os nós médios, vetores unitários são construídos no espaço 3-D ao longo de cada borda elemento, ajustado para a direção consistente. Para cada par de arestas opostas, o produto escalar dos vectores unitários é calculado, então o ângulo (em graus) cujo cosseno é que o produto do ponto. O desvio paralelo é o maior destes dois ângulos.

Domingos F. O. Azevedo O melhor desvio possível, por um retângulo plano, é de 0 °. Vide figura a seguir.

Figura 87: Parallel Deviation (desvio paralelo) comparação de elementos.

Maximum Corner Angle (máximo ângulo do canto) - O ângulo máximo entre arestas adjacentes é calculado usando posições de nó de canto no espaço 3-D. (Nós Médios, se houverem, são ignorados.) O melhor ângulo máximo de triângulo possível, para um triângulo equilátero, é de 60 °. Vide figura a seguir. O ângulo máximo possível quadrilátero melhor, por um retângulo plano, é de 90 °.

Figura 88: Maximum Corner Angle (máximo ângulo do canto) comparação de elementos.

Skewness (assimetria) - A assimetria é uma das medidas primárias de qualidade para uma malha. Assimetria determina como próximo do ideal é um elemento. De acordo com a definição de assimetria, um valor de 0 indica uma célula equilátera (melhor) e um valor de 1 indica uma célula completamente degenerada (pior).

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Figura 89: Skewness (assimetria) comparação de elementos.

Orthogonal Quality (qualidade ortogonal) - A qualidade ortogonal para as células é calculada usando o vetor normal á face, o vetor a partir do centro da célula para o centroide de cada uma das células adjacentes, e o vetor a partir do centro da célula para cada uma das faces. O intervalo para a qualidade ortogonal é 0 - 1, onde um valor de 0 é o pior e um valor de 1 é melhor. Vide figura a seguir.

Figura 90: Orthogonal Quality (qualidade ortogonal) método de avaliação.

Domingos F. O. Azevedo

CONDIÇÕES DE 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 preparatórias para análise, denominadas condições de contorno. Segundo Barkanov (2001), as condições de contorno podem ser: principal (geométrica) ou natural (forças). As condições de contorno geométricas seriam apenas as restrições dos graus de liberdade para movimentação da estrutura e as condições de contorno naturais seriam os tipos de carregamentos (11). Segundo Cook, Markus, Plesha (1989), existem condições de contorno essenciais e não essenciais. (2). Segundo Clough e Penzien (2003), as condições de contorno podem ser restrições, deslocamentos, momento, inclinação, ou cisalhamento (12). Bathe (1996), em seu livro “Finite element procedures in engineering analysis” e Reddy (1993), em seu livro “An introduction to the finite element method”, identificam duas classes de condições de contorno denominadas essencial e natural. A condição de contorno essencial também denominada condição de contorno geométrica corresponde a deslocamentos e rotações, enquanto que a segunda classe é denominada condição de contorno natural e também chamada de condições de contorno de força, porque na mecânica estrutural as condições de contorno naturais correspondem a forças e momentos prescritos (pág. 110) (13), (14). Segundo Stolarski, Nakasone e Yoshimoto (2006), As condições de contorno são de dois tipos: condições de contorno mecânicas (tensões ou trações de superfície) e condições de contorno geométricas (deslocamentos), (15). 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.

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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 (principais ou essenciais e as naturais) 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 externas e internas (condições de contorno naturais) que hajem sobre componentes, a direção, sentido e intensidade. E também, quais são e onde estarão localizados os apoios (condições de contorno principais), 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, pois os resultados dependem 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.

Domingos F. O. Azevedo As cargas de corpos (aceleração, rotação ou aceleração da gravidade) são aplicadas em todas as peças ou corpos.

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). Modos de cargas estruturais  Valores de Carga Constante  Cargas Tabeladas  Expressões de Carga Constante  Cargas de uma Função Carga constante Quando uma carga constante é aplicada em um objeto, esta carga se inicia com valor 0 (zero) e aumenta gradativamente até o seu valor máximo, conforme especificado, formando uma rampa no gráfico de carga, em uma etapa apenas. Vide figura a seguir. a)

b)

Figura 91: a) Objeto com uma carga aplicada em uma das faces (Force); b)

Detalhes da carga aplicada e gráfico de aplicação desta carga.

Análise Estrutural com ANSYS Workbench V15 Fonte: ANSYS Help Viewer (10). Grande parte dos tipos de carga tem seus valores de carga constante e podem ser definidos por Vetor ou Componentes Podem ser definidas como Vetor – Especificando-se Magnitude e direção ou Componentes – Especificando-se a Magnitude de cada componente da força com sistema de coordenadas em X, Y e Z A progressão de aplicação da carga permite que se veja como os resultados se propagam, por exemplo, como as tensões se propagam no objeto em função da variação da carga ao longo do tempo.

Cargas tabeladas Em Analysis Settings pode-se acrescentar etapas ou tempos, bem como, excluir ou editar valores, a partir do painel de detalhes ou na tabela. Vide figura a seguir. Isto permite que se construam tabelas de valores de carga.

Figura 92: Configuração e edição de etapas em Analysis Settings.

Fonte: ANSYS Help Viewer (10). Em Analysis Settings pode-se acrescentar sub-etapas quando habilitado em Auto Time Stepping. Que, inicialmente, por padrão é controlado pelo programa. Vide figura a seguir.

Domingos F. O. Azevedo

Figura 93: Configuração e edição de sub-etapas em Analysis Settings e gráfico

com etapas e sub-etapas. Fonte: ANSYS Help Viewer (10). Em Analysis Settings pode-se acrescentar múltiplas sub-etapas e agrupá-las. Configurar para mostrar ou ocultar a legenda e rótulos das cargas.

Figura 94: Configuração e edição de sub-etapas e tempos em Analysis Settings

e gráfico com legenda e rótulos das cargas. Fonte: ANSYS Help Viewer (10).

Expressões de carga constante Pode-se aplicar um valor de carga, a partir de uma expressão que represente o valor. Para introduzir uma expressão de carga estática, clique no campo Magnitude e escolha Constant. Em seguida, digite um valor no campo como uma expressão, semelhante ao uso de uma calculadora. No painel de Detalhes se insere a expressão e aplica o valor. Por exemplo, se você digitar = 2 + (3 * 5) + pow (2,3) no campo numérico de magnitude, no painel de Detalhes se resolve esta expressão e aplica 25 para o valor.

Análise Estrutural com ANSYS Workbench V15 Pode-se digitar um sinal de igual [=] antes da expressão ou não, para que o programa entenda que é uma expressão.

Figura 95: Criação de uma expressão.

Os operadores matemáticos comuns são aceitos: Adição (+), subtração (-), multiplicação (*), divisão (/), potência (^) e (%) para módulo de inteiros. Tabela 7: Operações e funções suportadas Funções

Exemplo de uso

Suportadas

Uso (unidades de ângulos são definidos conforme especificados na interface)

sin(x)

sin(3.1415926535/2)

sinh(x)

sinh(3.1415926535/2)

cos(x)

cos(3.1415926535/2)

cosh(x)

cosh(3.1415926535/2)

tan(x)

tan(3.1415926535/4)

tanh

tanh(1.000000)

asin(x)

asin(0.326960)

acos(x)

acos(0.326960)

atan(x)

atan(-862.42)

Calcula senos e senos hiperbólicos (sinh).

Calcula o cosseno (cos) ou o cosseno hiperbólico (cosh).

Calcula a tangente (tan) or a tangente hiperbólica (tanh). Calcula o arco-seno. (x – Valor do arco do seno que deve ser calculado). Calcula o arco-cosseno. (x - Valor entre –1 e 1 do arco do cosseno que deve ser calculado.) Calcula o arco-tangente de x (atan) ou o arco-tangente de y/x (atan2). atan2(y,x)

atan2(-

(x, y Quaisquer números).

862.420000,78.514900)

pow(x,y)

pow(2.0,3.0)

Calcula x elevado à potência de y. (x - Base de, y - Expoente).

sqrt(x)

sqrt(45.35)

Calcula a raiz quadrada. ( x deve ser um valor não negativo).

exp(x)

exp(2.302585093)

Calcula o exponencial. (x – Valor de ponto flutuante).

log(x)

log(9000.00)

log10(x)

log10(9000.00)

Calcula o logaritmo natural. (x – O valor do logaritmo deverá ser encontrado). Calcula o logaritmo de base dez. (x - O valor do logaritmo deverá ser encontrado).

Domingos F. O. Azevedo rand()

rand()

Gera um número randômico.

ceil(2.8)

Calcula o teto de um valor. Ele retorna um valor de ponto flutuante

ceil(x)

representando o menor número inteiro que é maior do que ou igual a ceil(-2.8) floor(2.8)

floor(x)

x. (x - valor de ponto flutuante). Calcula piso de um valor. Ele retorna um valor de ponto flutuante que representa o maior inteiro que é menor do que ou igual a x. (x - valor

floor(-2.8)

de ponto flutuante) Calcula o restante de ponto flutuante. A função fmod calcula o restante de ponto flutuante de f x / y tais que x = y + i * f, em que i é

fmod(x,y)

fmod(-10.0, 3.0)

um número inteiro, f tem o mesmo sinal que x, e o valor absoluto de f é menor do que o valor absoluto de y. (x, y - valores de ponto flutuante).

Cargas de uma função A magnitude de uma carga pode ser especificada em função do tempo (Vide figura a seguir). E em alguns casos como função da distância.

Figura 96: Configuração da magnitude da carga em função do tempo.

Tipo de cargas estruturais que estão qualificadas como cargas variáveis e variar em função do tempo. Nem todas estão disponíveis para objetos 3D (sólidos).  Aceleração  Velocidade Rotacional  Força

Análise Estrutural com ANSYS Workbench V15  Força Remota  Pressão – na direção Normal  Linha de Pressão - na direção Tangencial (1)  Tubo Pressurizado (1)  Deslocamento para Faces, Arestas, ou Vértices  Deslocamento Remoto  Velocidade (1)

Tipos de cargas estruturais Os tipos de cargas estruturais relacionados abaixo são comuns para objetos 3D.  Força (Force)  Força Remota (remote force)  Pressão (Pressure)  Pressão Hidrostática (Hydrostatic Pressure)  Carga de Rolamentos (Bearing Load)  Pré-carga de parafusos (Bolt Pretension)  Momento (Moment) Existem outros tipos de cargas que geralmente, não são utilizados em objetos 3D (sólidos) ou em análise estrutural. Força (Force) Podem ser definidas como Vetor – Especificando-se Magnitude e direção ou Componentes – Especificando-se a Magnitude de cada componente da força com sistema de coordenadas em X, Y e Z. A força pode ser aplicada em faces, arestas ou vértices de um objeto. Quando uma força é aplicada em várias faces, arestas ou vértices, esta força é distribuída entre todos aqueles locais selecionados. Forças aplicadas em arestas ou vértices não são realistas e conduz a tensões singulares. Neste caso, tensões e deformações nas proximidades devem ser ignoradas.

Domingos F. O. Azevedo

Figura 97: Opções de seleção para força.

Força remota (Remote Force) A Força Remota é equivalente a Força comum acrescido de algum momento e pode ser definida positiva ou negativa, por vetor ou componentes.

Figura 98: Exemplo de força aplicada num objeto.

Na configuração de força remota é necessário selecionar o local de aplicação na peça, especificar o local de onde a força irá atuar através de coordenadas em X, Y e Z e especificar a magnitude no vetor ou valor de intensidade para cada componente em X, Y e Z. Os valores especificados podem ser positivos ou negativos. Pressão (Pressure) A pressão pode ser aplicada em Faces planas ou Curvas e pode ser definida positiva ou negativa como: Normal a face, Vetor ou componentes em X, Y e Z. Na configuração da pressão é necessário especificar a magnitude para normal a face, especificar a magnitude e direção para vetor ou é necessário

Análise Estrutural com ANSYS Workbench V15 especificar a Magnitude de cada componente da pressão com sistema de coordenadas em X, Y e Z.

Figura 99: Exemplo de pressão aplicada num objeto.

Pressão hidrostática (Hydrostatic Pressure) A carga de Pressão Hidrostática simula a pressão que ocorre devido ao peso do fluido no reservatório. A pressão hidrostática requer a configuração de: Densidade do Fluído, Aceleração Hidrostática e Posição da Superfície.

Figura 100: Exemplo de pressão hidrostática aplicada num objeto.

O Ansys irá apresentar os resultados da pressão hidrostática dentro das condições de contorno (Static Structural) e também afetará outras soluções requisitadas. Carga de rolamento (Bearing Load) Assim como a Força comum a Carga de Rolamento pode ser definida através de vetor ou componentes. Os valores podem ser positivos ou negativos. Este tipo de carga só pode ser aplicado sobre faces cilíndricas. Não é necessário dividir a face cilíndrica, pois a incidência ocorre apenas na metade à frente da carga. E a distribuição da carga ocorre nesta mesma região.

Domingos F. O. Azevedo

Figura 101: Exemplo de Carga de rolamento aplicada em objetos.

Na figura anterior estão realçadas em vermelho as regiões em que a carga irá incidir. As demais regiões (cinza e branca) não serão afetadas pela carga. Deve-se aplicar a Carga de Rolamento no sentido radial do cilindro. Para isto, pode-se definir a direção e sentido selecionando uma geometria da peça ou se necessário, utilizar o sistema de coordenadas local e definir por componentes. Se o programa detectar carga no sentido axial, o solucionador vai bloquear a solução e emitir uma mensagem de erro. Pré-carga de parafuso (Bolt Pretension) A pré-carga de parafuso é usada apenas em faces cilíndricas com volume interno. Geralmente, em parafusos de um conjunto. E pode ser definida por carga, ajuste ou aberta. Na configuração de carga, especifica-se a magnitude da carga. Na configuração de ajuste, especifica-se o deslocamento. E na configuração para aberta, não há especificação.

Figura 102: Exemplos de Pré-Carga de parafuso aplicada em objetos.

Na figura anterior, á esquerda tem-se a configuração de carga e á direita de ajuste.

Análise Estrutural com ANSYS Workbench V15 Se a pré-carga for aplicada mais de uma vez em um parafuso, todas definições, exceto a primeira, são ignoradas. Cuidado ao aplicar pré-carga em parafusos que tenha como contato entre peças, faces coladas (Bonded), pois o contato pode impedir o parafuso de se deformar.

Figura 103: Exemplo com a superfície da divisão de Pré-Carga de parafuso.

Na figura anterior, pode-se observar o conjunto de peças montadas com parafuso, a malha e a superfície que é criada pelo programa dividindo o parafuso para a aplicação da carga. Certifique-se que exista uma malha fina no parafuso para que seja dividido adequadamente na seção axial. Se um parafuso tiver sua face dividida, apenas uma carga deve ser aplicada, pois todo o cilindro será dividido. Não aplique pré-carga em furos, pois é necessário volume interno para a divisão e carregamento. Momento (Moment) O momento pode ser aplicado em Faces Planas ou Curvas, Arestas e Vértices.

Figura 104: Momento e as possibilidades de carga em faces (vermelho),

direção (seta branca) e região afetada (cinza).

Domingos F. O. Azevedo Assim como a Força comum, o Momento pode ser definido através de vetor ou componentes. Usa-se a Regra da Mão Direita para orientação. Vide figura a seguir.

Figura 105: Regra da mão direita para direção do momento.

Se forem selecionadas várias faces a magnitude do momento é distribuída entre todas. Vide os tipos de carregamentos e suas configurações na tabela a seguir. Tabela 8: 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) (1)

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.

Análise Estrutural com ANSYS Workbench V15 Tipos de carregamento

Geometria de aplicação

Tipo temporal

Definição

Deve-se especificar

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) (1)

Todos os Corpos (Apenas 2D)

Estático

Momento ou rotação Referência em XeY

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) (1)

Apenas linhas de corpos

Temperatura

Magnitude constante, tabelada ou função. Carregamento interno ou externo.

Joint Load (Carga de junta)

Apenas entre corpos

Carga cinemática

Seleção da junta e magnitude

Fluid solid interface (Interface sólida de fluido)

Apenas faces

-------

Seleção de interfaces

Através de material explosivo

Coordenadas X, Y e Z do ponto

Estático Apenas para análise transiente ou dinâmica Apenas para análise fluído dinâmica ou térmica. Apenas para Dinâmica Explícita

Detonation Point Apenas (Ponto de pontos detonação) (1) (1) Nota: Não disponíveis em análise

estática para 3D (sólidos). Como

indicados na tabela, podem ser aplicados apenas em arestas, linhas de corpos ou pontos. Restrições Existem várias opções disponíveis no programa para restringir estruturas. Estas restrições são apoios da estrutura que reagirão aos carregamentos impostos. A correta definição de apoios terá grande influência 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 9.  Apoio Fixo (Fixed Support)

Domingos F. O. Azevedo  Deslocamento (Displacement)  Deslocamento Remoto (Remote Displacement)  Apoio Sem Atrito (Frictionless Support)  Apoio Apenas a Compressão (Compression Only Support)  Apoio Cilíndrico (Cylindrical Support) Destacam-se: Apoio fixo, Apoio sem atrito, Apoio apenas à compressão e Apoio cilíndrico, que são muito utilizados. Apoio Fixo O Apoio fixo restringe integralmente o local de aplicação retirando todas as possibilidades de movimentação, sendo equivalente ao apoio de engastamento visto na disciplina de resistência de materiais. Geralmente, aplicado em faces do objeto, não permite que esta se desloque ou se deforme, tendo um comportamento semelhante a uma face soldada.

Figura 106: Objeto com uma face fixada (Fixed Support).

Fonte: ANSYS Help Viewer (10). A face, aresta ou vértice perde todos os graus de liberdade para movimentação. Quando um Apoio Fixo é aplicado em várias faces, arestas ou vértices, este apoio é válido para todos aqueles locais selecionados. Apoios Fixos aplicados em arestas ou vértices não são realistas e conduz a tensões singulares. Neste caso, tensões e deformações nas proximidades devem ser ignoradas. Apoio sem atrito O Apoio sem atrito é utilizado para evitar que uma face plana ou curva movase na direção normal (setas azuis na face cinza da figura a seguir). Em outras direções a estrutura não será restringida. As setas brancas, na figura a seguir, mostram os graus de liberdade que não foram restringidos.

Análise Estrutural com ANSYS Workbench V15

Figura 107: Objeto com uma face plana sem atrito (Frictionless Support).

Fonte: ANSYS Help Viewer (10). Nenhuma parte da face pode se mover, girar, ou se deformar normal a face, mas vários dos graus de liberdade para movimentação ainda podem existir. Direções tangenciais á face selecionada terão liberdade para mover, girar e se deformar.

Figura 108: Objeto com uma face cilíndrica sem atrito (Frictionless Support).

Fonte: ANSYS Help Viewer (10). No exemplo da figura anterior, apenas o grau de liberdade axial e rotação no eixo da face selecionada restaram para movimentação. Apoios Sem Atrito em faces planas são equivalentes á condição de simetria. Isto permite que se possa simular apenas uma parte de uma peça simétrica, com resultados válidos para a peça toda.

Domingos F. O. Azevedo

Figura 109: Objeto particionado para análise de apenas um quarto do total.

As faces planas do objeto que surgem no corte devem receber os apoios sem atrito (Frictionless Support) para a representação do objeto todo. Obviamente, outros apoios podem ser necessários para a análise. Este

recurso

é

utilizado

para

reduzir

a

quantidade

de

nós

e

consequentemente, diminuir a quantidade de cálculos necessários para obter resultados mais rapidamente. Apoio apenas à compressão O Apoio apenas à compressão não restringe as faces selecionadas quando tracionadas.

Figura 110: Objeto com uma face plana apoiada apenas compressão.

Análise Estrutural com ANSYS Workbench V15 O Apoio Apenas á Compressão previne que a Face se mova ou deforme na direção Normal se ocorrer compressão. Toda face pode se afastar, mover, girar, ou se deformar, contanto que o objeto não ultrapasse aquele limite. Portanto, alguns dos graus de liberdade para movimentação ainda podem existir. Direções tangenciais á face selecionada terão liberdade para mover, girar e se deformar.

Figura 111: Objeto com uma face cilíndrica apoiada apenas a compressão

(Compression Only Support). Fonte: ANSYS Help Viewer (10). No exemplo da figura anterior, apenas o grau de liberdade axial e rotação no eixo da face selecionada restaram para movimentação. Assim como ocorre com o apoio sem atrito, entretanto, se uma carga radial forçar um deslocamento radial para fora do furo o apoio apenas a compressão não restringirá o movimento. Enquanto que no apoio sem atrito não haverá movimentação radial. Nos Apoios Apenas á Compressão pode ocorrer tracionamento do objeto, contanto que não ultrapasse a face selecionada, se o objeto se deformar ou tentar se afastar, isto ocorrerá sem tensões naquela região da face, pois será permitido.

Figura 112: Objeto com uma face (furo) apoiada apenas a compressão com

deformação.

Domingos F. O. Azevedo Note-se na figura anterior que parte da face afastou-se do local original e o objeto deformou-se. O lado oposto foi comprimido e não pode se afastar. Apoio Cilíndrico O apoio cilíndrico estará disponível apenas para superfícies cilíndricas. Não sendo habilitada a seleção de faces planas, arestas ou vértices. O apoio cilíndrico requer uma configuração que permite restringir ou liberar movimentos nas direções radial, axial ou tangencial de faces cilíndricas, e combinações destas opções. Mais de um destes pode ser selecionado. Quaisquer combinações são permitidas. Todos os outros graus de liberdade serão retirados. Comparativamente o apoio fixo retira todos os graus de liberdade de movimentação e o apoio cilíndrico permite selecionar alguns graus para liberar. Se todos os graus forem liberados NÃO haverá apoio. 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 para eixos rotativos com tangencial livre, contanto que, estejam distantes dos locais de maiores valores de tensão. As superfícies apoiadas reagirão á compressão ou tração, não se deformando ou deslocando-se, se o grau correspondente NÃO for liberado. Na figura a seguir são mostrados os graus de liberdade que podem ser liberados com setas azuis, da esquerda para direita: radial, axial e tangencial.

Figura 113: Graus de liberdade do objeto com apoio cilíndrico em um furo

(Cylindrical Support). Fonte: ANSYS Help Viewer (10).

Análise Estrutural com ANSYS Workbench V15 Deslocamento (Displacement) O Deslocamento impõe que o local se mova de acordo com o valor da componente de direção especificado ou Normal a uma Face. O Deslocamento pode ser aplicado em Faces Planas ou Curvas, Arestas e Vértices.

Figura 114: Tipos de seleção possíveis para deslocamento (Displacement).

Na figura acima, a seta vermelha indica o deslocamento do local selecionado em cinza que se move para o local conforme mostrado na cor branca. Mais de uma direção pode ser especificada, ficando as demais livres (Free) para moverem-se. Se um mesmo valor diferente de Zero for especificado para X, Y, e Z, o objeto desloca-se para a nova posição mantendo a sua forma e deformando o objeto. Imposição de Deslocamento Zero em uma componente.

Figura

115:

Tipos

de

seleção

possíveis

para

deslocamento

zero

(Displacement). Na figura anterior, a região selecionada está na cor cinza, as setas azuis indicam a direção restrita e as setas brancas indicam as direções livres para movimentação (graus de liberdade). Se o valor Zero for especificado em uma das componentes não haverá deslocamento naquela direção, mas o objeto irá se deformar.

Domingos F. O. Azevedo Deslocamentos aplicados em arestas ou vértices não são realistas e conduzem a tensões singulares. Neste caso, tensões e deformações nas proximidades devem ser ignoradas. Deslocamento remoto (Remote Displacement) O Deslocamento Remoto pode ser aplicado em Faces Planas ou Curvas, Arestas e Vértices. Um Deslocamento remoto permite que sejam aplicados os deslocamentos e rotações em um local remoto arbitrário no espaço. Pode-se especificar a origem do local remoto no escopo da exibição de Detalhes, selecionando, ou digitando as coordenadas X, Y e Z diretamente. O local padrão é no centro da geometria. Especifica-se o deslocamento e rotação em Definição.

Figura 116: Configuração de rotação para deslocamento remoto (Remote

Displacement). O Deslocamento impõe que o local se mova de acordo com o valor da componente de direção especificado. Mais de uma direção pode ser especificada, ficando as demais livres (Free) para mover-se. Se um mesmo valor diferente de Zero for especificado para X, Y, e Z, o objeto desloca-se para a nova posição mantendo a sua forma e deformando o objeto. Se o valor Zero for especificado em uma das componentes não haverá deslocamento naquela direção, mas o objeto irá se deformar.

Análise Estrutural com ANSYS Workbench V15

Figura 117: Opções para configuração de comportamento de deslocamento

remoto (Remote Displacement). O deslocamento remoto permite que se configure o comportamento do objeto como: rígido, deformável ou acoplado. Vide figura anterior. Deslocamentos aplicados em arestas ou vértices não são realistas e conduzem a tensões singulares. Neste caso, tensões e deformações nas proximidades devem ser ignoradas. Tabela 9: 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

Tipo fixo (Engastado)

A geometria de aplicação (Local)

Displacement (Atribuir deslocamento)

Vértices, arestas ou faces

Estático ou harmônico

Componentes e Normal a

Deslocamento de cada uma das componentes (X, Y e Z) e também o Ângulo de Fase para Análise harmônica.

Remote Displacement (Deslocamento Remoto)

Vértices, arestas ou faces

Estático ou harmônico

Componentes e Ângulo de Fase para Análise harmônica

Deslocamento de cada uma das componentes (X, Y e Z) e também o Ângulo de Fase para Análise harmônica.

Velocity (Velocidade) (1)

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) (1)

Faces (Apenas para Dinâmica Explicita)

Estático

Valores

A geometria de aplicação (Local), Impedância do Material, Velocidade e Pressão de referência.

Faces

Estático ou harmônico

Apoio sem atrito em faces

A geometria de aplicação (Local)

Faces

Estático

Apoio apenas à compressão

A geometria de aplicação (Local)

Frictionless support (Apoio sem Atrito) Compression Only Support (Apoio apenas à compressão)

Domingos F. O. Azevedo

Estático

Apoio cilíndrico

A geometria de aplicação (Local) e entre Radial, Axial e Tangencial quais destes são livres ou fixos.

Estático

Apoio com rotação

A geometria de aplicação (Local)

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.

Faces

Estático

Apoio elástico

A geometria de aplicação (Local) e Rigidez do local.

Cylindrical Support (Apoio Cilíndrico)

Faces cilíndricas

Simply Supported (Apoio Simples) (1)

Apenas arestas ou vértices de superfícies

Fixed Rotation (Fixação contra Rotação) (1) Elastic Support (Apoio elástico)

(1) Nota: Não disponíveis em análise estática para 3D (sólidos). A Velocidade e

a Fronteira de Impedância estará disponível para sólidos na análise Transiente Estrutural ou Dinâmica Explícita

Tipos de cargas inerciais de corpos e suas características São tipos de cargas inerciais de corpos:  Aceleração (Acceleration)  Aceleração da Gravidade (Standard Earth Gravity)  Rotação (Remote Displacement) As cargas inerciais são aplicadas em todo o objeto. A rotação pode ser aplicada em todos os objetos de um conjunto ou em algum objeto em especial. A aceleração ou aceleração da gravidade será válida para todos os objetos de um conjunto. Tabela 10: 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.

Análise Estrutural com ANSYS Workbench V15

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). 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. Imaginase 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.

Domingos F. O. Azevedo 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 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.

Análise Estrutural com ANSYS Workbench V15

Exemplo 1 – Analise de uma peça: Para iniciar a análise de uma peça ou conjunto, procede-se conforme descrito a seguir. 1º. - Iniciar o Ansys Workbench. 2º. - Arrastar “Static Structural” do Toolbox para a área à direita para criar um novo projeto de análise. Vide figura a seguir.

Figura 118: Iniciando uma análise no Ansys Workbench. (Repetida). 3º. – Clicar com botão direito sobre “Engineering Data” e em “Edit” e depois acessar a biblioteca de materiais. 4º. - Encontram-se e selecionam-se os materiais desejados e volta-se ao projeto. 5º. - Para encontrar um arquivo de peça existente no computador, clica-se com botão direito em “Geometry” e depois em “Import Geometry” localiza-se o arquivo de desenho que se deseja analisar e clica-se abrir. 6º. – Depois se clica com botão direito em uma das outras células abaixo, por exemplo, Setup, Model ou Results e na opção “Edit”, para iniciar o ambiente de análise. 7º. O ambiente de simulação é então iniciado conforme mostrado na figura a seguir. Neste ambiente seleciona-se o material a ser utilizado foi escolhido anteriormente, se nenhum material foi selecionado será utilizado “Structural Steel”.

Domingos F. O. Azevedo

Figura 119: Interface para a análise estrutural. (Repetida). Ao selecionar a opção são mostrados, no Mechanical Application Wizard, os procedimentos que se deve seguir para a simulação. 1º. Clica-se em Static Structural e na barra de contexto selecionam-se as soluções desejadas para este tipo de material, conforme mostrados na figura a seguir.

Figura 120: Na árvore aparecem as soluções escolhidas.

Análise Estrutural com ANSYS Workbench V15 2º. - Seguindo-se os procedimentos recomendados no Mechanical Application Wizard clicam-se em “Insert Loads” e ele nos mostrará onde encontrar as opções para inserir as cargas. 3º. - Clicando-se onde foi indicado “Static Structural” para este exemplo seleciona-se “Force”, imediatamente aparece Force na pasta “Static Structural”, o cursor do mouse estará pronto para que o analista escolha onde deva ser aplicada a carga na peça. Para este exemplo será aplicada na face que aparece em verde na figura a seguir. 4º. - Depois de clicar na face é necessário aplicar para confirmar a seleção ou cancelar se a entidade geométrica selecionada não for o local correto para a carga. 5º. - Clicando no campo Magnitude que aparece amarelo no painel de detalhes se pode estabelecer o valor da carga. Para este exemplo coloca-se 2500 Newtons.

Face selecionada

Carga

Aplicar a Carga apenas nesta Face

Definir a Magnitude da Carga

Definir a direção da Carga

Figura 121: Definições necessárias do tipo de carregamento. 6º. - Se o sentido de aplicação não estiver correto, clica-se no campo em amarelo Direction e depois em uma face ou aresta para ter uma referência de direção e depois nas setas que aparecem no canto superior direito da janela gráfica e alterar-se o sentido da carga. 7º. - Seguindo os procedimentos em “Mechanical Application Wizard” clica-se em “Insert Supports” e depois em “Fixed Support”. Neste momento aparece o “Fixed Support” também na pasta “Static

Domingos F. O. Azevedo Structural” e o cursor do mouse novamente fica pronto para selecionar uma ou mais entidades geométricas da peça para serem os apoios da peça. 8º. Neste exemplo é necessário selecionar apenas a face oposta a força e aplicar. 9º. - Uma vez que já foram definidas as condições de contorno, material e os resultados desejados, pode-se resolver clicando em Solve. Solve é acessado na Barra de Ferramentas Padrão ou clicando-se com o botão direito em qualquer local da árvore. O Ansys irá iniciar a simulação verificando se todas as condições iniciais foram atendidas, criar a malha, preparar o modelo, resolver o que foi requisitado e por fim, mostrar os resultados na janela gráfica. No “Mechanical Application Wizard” devem aparecer todos os itens “ticados” em verde, indicando que tudo foi realizado corretamente e na árvore ao lado de cada resultado devem aparecer os mesmo sinais.

Figura 122: Verificação das etapas realizadas no Mechanical Application Wizard.

Vide as figuras a seguir com a malha e os resultados que são mostrados pela coloração das peças juntos a uma legenda que expõe os valores limites correspondentes a cada cor.

Análise Estrutural com ANSYS Workbench V15

Malha

Tensão von Mises

Figura 123: Resultados de malha e tensões apresentadas na janela gráfica.

Tensão de Cisalhamento

Deslocamento

Figura 124: Resultados de tensão de cisalhamento e deslocamento apresentados na janela gráfica.

Fator de Segurança

Margem de Segurança

Figura 125: Resultados de fator e margem de segurança apresentados na janela gráfica.

Domingos F. O. Azevedo

Exemplo 2 – Analise de um Conjunto de Peças: A análise de conjuntos de peças montadas se diferencia da análise de apenas uma

peça

por

necessitar

de

definição

de

contato

entre

as

peças

e

consequentemente da interação entre estas peças do conjunto. As peças do conjunto podem ser de materiais diferentes que o Ansys irá simular o considerando o comportamento interativo entre os materiais.

Figura 126: Conjunto de pistão e biela de motor a combustão. Os contatos entre as peças são aplicados automaticamente entre as faces das peças, como se as peças estivessem coladas (Bonded) se a proximidade entre as peças for menor que um valor predefinido. Entretanto o tipo de contato pode ser alterado a qualquer tempo pelo analista. Vide figura abaixo.

Figura 127: Lista de regiões de contatos entre as peças do conjunto pistão e biela.

Análise Estrutural com ANSYS Workbench V15 As definições de contato estão em detalhes da árvore quando se seleciona Contact. Um conjunto de peças ao ser transferido para o ambiente de simulação leva o nome de cada uma das peças que fazem parte do conjunto, podendo então ser identificadas facilmente para que possam receber a especificação dos materiais com os quais serão construídos.

Figura 128: Relação de peças do conjunto mostrada na árvore. Ao selecionar uma peça do conjunto na árvore, o painel de detalhes da árvore mostrará informações relativas àquela peça em especial, entre estas informações está a especificação do material, clicando sobre o campo do material se pode alterar o material para um daqueles definidos para o projeto em Engineering Data.

Domingos F. O. Azevedo Nos programas associativos o material pode ser importado e aplicado automaticamente a cada uma das peças. Neste exemplo de conjunto de peças, um pistão tem um pino encaixado na bucha de bronze de uma biela e também nesta, dois casquilhos de bronze onde deverá estar o virabrequim. Supondo que uma determinada carga seja aplicada sobre a superfície do pistão devido a explosão na câmara de combustão de um motor. Quais seriam os pontos com as maiores tensões no conjunto? Para analisar a condição citada é necessário colocar as condições de contorno mais próximas possíveis da realidade. Neste exemplo foi colocada uma força de 10kN (Force) sobre o pistão, apoio fixo (Fixed Support) em um dos casquilhos e um apoio sem atrito (Frictionless Support) na superfície externa do pistão. Obs.: a temperatura de análise é 22 °C. Vide figura abaixo mostrando as condições de contorno.

Figura 129: Condições de contorno aplicadas e apresentadas na janela gráfica. Note que a temperatura da análise é irreal, pois uma câmara de combustão de motor é superior aos 22 °C, mas para este exemplo desprezou-se esta condição. Antecipadamente, se pode definir o tipo de análise como para materiais dúcteis (macios) e formar a malha (Mesh) clicando sobre Mesh com botão direito do

Análise Estrutural com ANSYS Workbench V15 mouse e depois em Generate Mesh ou Preview Mesh (Prévia da Malha). Vide figura abaixo.

Figura 130: Discretização do conjunto. Após a geração da malha (Discretização) basta clicar no raio amarelo ou com botão em Solve para iniciar a análise. Vide figura abaixo.

Figura 131: Processo de análise sendo executado pelo programa. Ao clicar em Solve o Ansys inicia a análise e mostra em uma janela o status da análise que possui diversas etapas entre elas a preparação, resolução e atualização gráfica dos resultados. Vide figura anterior.

Domingos F. O. Azevedo Ao encerar a análise se podem ver na janela gráfica os resultados clicando em cada uma das soluções. Na figura a seguir é mostrado o resultado das tensões von Mises, mas os maiores valores estão ocultos pelo pistão, esta visualização mostra o exterior com cores suavizadas e também o modelo indeformado. É obvio que com esta visualização não se pode saber onde exatamente ocorrem as maiores tensões.

Figura 132: Resultado de tensão von Mises do conjunto apresentado na janela gráfica.

Ocultando o pistão na visualização é possível ver que a região de grande tensão na peça ocorre entre o pino e a bucha, conforme mostrado na figura abaixo, para isto clica-se com botão direito do mouse sobre a peça desejada e depois em Hide Body.

Figura 133: Resultado de tensão von Mises do conjunto sem a visibilidade do pistão.

Análise Estrutural com ANSYS Workbench V15 Outra alternativa para a visualização é trocar de exterior para IsoSurfaces na barra de ferramentas de contexto, para se ter a visualização da região. Vide figura a seguir.

Figura 134: Resultado de tensão von Mises visualizado com Iso Surfaces. Na figura a seguir, se pode ver que as tensões de cisalhamento ocorrem na mesma região.

Figura 135: Resultado de tensão de máximo cisalhamento do conjunto.

Domingos F. O. Azevedo Ao lado se vê a deformação exagerada que ocorre nas peças em função da carga e rigidez do material.

Figura 136: Resultado de deformação do conjunto. Na figura a seguir, pode-se ver que o fator de segurança, para o critério von Mises, do conjunto de peças é menor quando a tensão é maior.

Figura 137: Resultado de fator de segurança do conjunto.

Análise Estrutural com ANSYS Workbench V15 Clicando na aba Report Preview o relatório de análise será automaticamente gerado e mostrará todas as informações relevantes. Se forem inseridas figuras para mostrar cada uma das imagens da análise seja geometria, malha, condições de contorno ou soluções elas serão mostradas no relatório.. É possível exportar o arquivo para Microsoft Word e Power Point.

Figura 138: Aba do relatório para definições de cabeçalho e outros detalhes.

Domingos F. O. Azevedo

Validação dos resultados Mais importante do que a simulação feita no Ansys ou qualquer outro programa de análise é a participação do engenheiro em todo o processo de análise, porque é ele quem deve realizar as principais tarefas para que a simulação seja possível e é ele quem deve analisar os resultados obtidos e aprovar ou não o projeto. O engenheiro deve especificar: Os materiais a utilizar. As condições de contorno compatíveis com a situação real. Quais os cálculos devem ser realizados. Interpretar e validar os resultados obtidos. Ao aprovar um projeto, o engenheiro está atestando sua funcionalidade, segurança e confiabilidade. Este trabalho não tem como objetivo ensinar o engenheiro decidir quando deve ou não aprovar um projeto, mas algumas dicas podem auxiliar para que este caminho, entre idealização e aprovação do projeto, seja encurtado. Uma maneira de realizar isto é responder á algumas questões: A peça ou conjunto atende a funcionalidade esperada da máquina ou equipamento? A peça ou conjunto podem ser fabricados com os recursos de fabricação disponíveis? A peça ou conjunto podem ser fabricados com materiais ou processos diferenciados que reduzam seu custo? É possível reduzir seu custo alterando a matéria prima ou processo de fabricação? A peça ou conjunto podem oferecer risco á segurança das pessoas envolvidas no processo de fabricação, transporte, utilização ou qualquer outra fase de sua vida útil ou durante a reciclagem do material? Em caso de falha da peça ou conjunto existe alguma possibilidade de que ocorra falta de segurança como as citas anteriormente? A peça ou conjunto podem oferecer risco á segurança do patrimônio em qualquer fase de sua vida ou durante a reciclagem?

Análise Estrutural com ANSYS Workbench V15 As tolerâncias de dureza, dimensionais, etc. são adequadas ao projeto, ou seja, não são estreitas demais o encarecendo desnecessariamente, nem abertas demais, causando mal funcionamento do conjunto ou risco á segurança? O tempo de vida da peça ou conjunto está dentro do esperado pelo cliente? A disposição da peça ou conjunto permite a manutenção periódica e troca de seus componentes? Os componentes do tipo; parafusos, porcas, rolamentos, motores, etc. utilizados na construção da máquina ou equipamento são normalizados ou são especiais? Não seria possível substituir os componentes especiais por normalizados e assim reduzir o custo de fabricação e manutenção? As perguntas formuladas não estão necessariamente em uma ordem de prioridades. Outras perguntas poderiam ser formuladas para complementar o questionário, de forma a se obter maior certeza de um perfeito funcionamento, confiabilidade e segurança. Mas para este trabalho que como dito anteriormente não tem esta finalidade, já é suficiente. Uma pergunta que poderia ser formulada pelo leitor agora é: Como utilizar os resultados obtidos através do Static Structural do Ansys para obter algumas das respostas necessárias? No exemplo dado não foi especificado a aplicação a ser dada á peça ou seus critérios de funcionamento, segurança e diversos outros aspectos importantes para uma completa exploração deste caso, mas se podem verificar através dos resultados alguns aspectos importantes citados no questionário, são eles: A tensão de escoamento á tração ou compressão que o material suporta é 250MPa e o maior valor obtido pela simulação (Tensão Equivalente von Mises) foi 150MPa, ou seja, a peça não terá deformação permanente seja por tração ou compressão. A tensão máxima de cisalhamento (Maximum Shear) que o material suporta é a metade da tensão de escoamento 125MPa, e o maior valor obtido na simulação foi 77,7MPa, portanto a peça também não romperá por cisalhamento.

Domingos F. O. Azevedo A maior deformação obtida no Static Structural foi 0,1mm, portanto se esta deformação não impedir o funcionamento do equipamento é um critério que obteve aprovação. Foram colocadas automaticamente como itens de resultados desejados duas pastas Stress Tool e Stress Tool 2 em Solution. Se verificar o seu conteúdo se vê que existem dois resultados em cada uma das pastas e referem-se ás tensões von Mises e Máximo Cisalhamento (Maximum Shear) respectivamente. Existe o Safety Factor (Fator de Segurança) e o Safety Margin (Margem de Segurança) quando á tensão von Mises o fator de segurança mínimo é 1,7 e a margem de segurança é então 0,7. Da mesma forma o fator de segurança para cisalhamento é 1,6 e a margem de segurança é então 0,6. Ou seja, em ambos o programa forneceu os fatores de segurança e a margem de segurança que se está sendo utilizada para a peça. Se a aplicação da peça não for crítica e não houver carregamento cíclico que venha a causar fadiga do material a peça do exemplo pode ser aprovada. Entretanto, se a utilização da peça em uma máquina ou equipamento em que a segurança pudesse ser prejudicada em caso de falha seria necessário rever o projeto para que o fator de segurança fosse aumentado. Para aumentar o fator de segurança é possível alterar o material, alterar a sua geometria nos pontos críticos, ou seja, onde as tensões são maiores ou reduzir o carregamento. Entretanto se a aplicação não for crítica, mas a peça durante sua utilização estiver submetida a cargas que variem com o tempo e eventualmente possam causar a fadiga do material, é necessário que seja feito uma nova análise para verificar se a peça não falhará por fadiga. No Static Structural do Ansys é possível alterar o material da análise colocando outro existente na livraria ou criar um novo material e também verificar a resistência á fadiga de materiais.

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REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1. COOK, Robert Davis. Finite element modeling for stress analysis. New York : John Wiley & Sons, 1995. ISBN 0-471-10774-3. 2. COOK, Robert D, Malkus, David S. e Blesha, Michael E. Concepts and applications of finite element analysis. 3. New York : John Wiley & Sons, 1989. 3. BUDYNAS, Richard G e Nisbett, Keith J. Elementos de máquinas de Shigley: projeto de engenharia mecânica. [trad.] João B Aguiar e João M. Aguiar. 8. Porto Alegre : AMGH, 2011. p. 1084. ISBN 978-85-63308-20-7. 4. Cramming more components onto integrated circuits. MOORE, Gordon E. S.L. : Electronics Magazine, 19 de Abril de 1965. 5. DISCO, Cornelius e Van der Meulen, Barend. Getting new technologies together. Belin; New York : Walter de Gruyter, 1998. pp. 206-207. ISBN 311015630X. 6. WIKIPEDIA FOUNDATION. Wikimedia foundation. Site da Wikimedia foundation. [Online] 12 de Janeiro de 2015. [Citado em: 26 de Janeiro de 2015.] http://pt.wikipedia.org/wiki/Lei_de_Moore. 7. ANSYS, Inc. ANSYS Strutural Analysis Guide. Canonsburg : SAS IP, 2004. 8. ALVES, Avelino F. Elementos finitos: a base da tecnologia CAE. São Paulo : Érica, 2003. p. 294. 9. NORTON, R. L. Projeto de máquinas: Uma abordagem integrada. Porto Alegre : Bookman, 2004. p. 931. 10. SAS IP, Inc. ANSYS Help Viewer. [Software] Canonsburg : SAS IP, Inc., 2013. 11. BARKANOV, Evgeny. Introdution to the finite element method. Riga : s.n., 2001. 12. CLOUGH, Ray W. e PENZIEN, Joseph. Dynamics of structures. 3. Berkeley : Computers & Structures, 2003. 13. BATHE, Klaus-Jürgen. Finite element procedures in engineering analysis. London : Prentice-Hall, 1996. p. 1052. ISBN 0-13-301458-4. 14. REDDY, J. N. An introduction to the finite element method. 2. New York : McGraw-Hill, 1993. p. 704. ISBN 0-07-051355-4.

Domingos F. O. Azevedo 15. STOLARSKI, T. A, NAKASONE, Y e YOSHIMOTO, S. Engineering analysis with Ansys software. Burlington : Elsevier Butterworth-Heinemann, 2006. ISBN 0 7506 6875 X. 16. BAXTER, M. Projeto do produto: guia prático para o design de novos produtos. [trad.] Itiro Iida. São Paulo : Edgar Blücher, 1998. ISBN 85-212-0265-2. 17. BOOZ-ALLEN & HAMILTON INC. New product management for 1980's. [sl] : [se], 1982. 18. COLLINS, J. A. Projeto mecânico de elementos de máquinas: uma perspectiva de prevenção da falha. 1. Rio de Janeiro : LTC, 2006. 85-216-4-1475-6. 19. MSC Vision: Leading the CAE industrie into the future. HOWANIEC, J. São Paulo : MSC Software, 2006. 20. Integração da informação virtual no desenvolvimento do produto Ford Brasil. FILHO, J. São Paulo : MSC Software, 2006. 21. FISH, J e BELYTSCHKO, T. Um Primeiro Curso em Elementos Finitos. São Paulo : LTC, 2006.