Conceitos básicos de análise

O software usa o Método de Elementos Finitos (MEF). O FEM é uma técnica numérica para a análise de projetos de engenharia. O FEM é aceito como método padrão de análise devido à sua generalidade e por ser bastante adequado para implementação em computadores. O FEM divide o modelo em muitas partes pequenas de formas simples, denominadas elementos, substituindo eficazmente um problema complexo por muitos problemas simples que devem ser resolvidos simultaneamente.

Os elementos compartilham pontos em comum, chamados nós. O processo de divisão dos modelos em partes pequenas é chamado de geração de malha.

O comportamento de cada elemento é bem conhecido quando sujeito a todos os cenários possíveis de carga e apoio. O método dos elementos finitos usa elementos de diferentes formas.

A resposta em um ponto qualquer de um elemento é interpolada a partir da resposta dos nós do elemento. Cada nó é completamente descrito por vários parâmetros, dependendo do tipo de análise e do elemento usado. Por exemplo, a temperatura de um nó descreve plenamente sua resposta em análises térmicas. De uma forma geral, em análises estruturais, a resposta de um nó é descrita por três translações e três rotações. que são chamadas de graus de liberdade (DOF, Degrees of Freedom). A análise que usa o MEF é chamada de Análise por Elementos Finitos (FEA).

O software formula as equações que controlam o comportamento de cada elemento levando em consideração a conectividade com outros elementos. Essas equações relacionam a resposta a restrições, cargas e propriedades de materiais que são conhecidas.

Em seguida o programa organiza as equações em um grande conjunto de equações algébricas simultâneas e calcula as incógnitas.

Por exemplo, para a análise de tensões o Solver encontra os deslocamentos em cada nó e o programa calcula as deformações e tensões.

O software oferece os seguintes tipos de estudo:

• Estudos Estáticos (ou de tensões). Os estudos estáticos calculam deslocamentos, forças de reação, deformações, tensões e distribuição do fator de segurança. Os materiais falham nos locais em que as tensões ultrapassam certos níveis. Os cálculos dos fatores de segurança são baseados em um dos quatro critérios existentes de falha.

Os estudos estáticos podem ser úteis para evitar falhas decorrentes de altas tensões. Um fator de segurança menor do que a unidade indica falha do material. Grandes fatores de segurança em regiões contíguas indicam tensões baixas e possibilidade de remoção de um pouco de material da citada região.

• Estudos de Frequência. Um corpo retirado de sua posição de repouso tende a vibrar em determinadas frequências chamadas naturais, ou ressonantes. A frequência natural mais baixa é chamada de frequência fundamental. Para cada frequência natural o corpo assume uma determinada forma chamada forma modal. A análise da frequência calcula as frequências naturais e as formas modais correspondentes.

Teoricamente, um corpo tem um número infinito de modos. No FEA existem teoricamente tantos modos quantos forem os graus de liberdade (DOFs). Na maioria dos casos, apenas alguns poucos modos são considerados.

Uma resposta excessiva ocorre se um corpo fica sujeito a cargas dinâmicas vibrando em uma de suas frequências naturais. Este fenômeno se chama ressonância. Por exemplo, um carro com pneus não balanceados treme violentamente a uma certa velocidade devido à ressonância. O tremor diminui ou desaparece em outras velocidades. Outro exemplo é o do efeito de um som forte, como o da voz de um cantor de ópera, que pode até quebrar uma taça de vidro.

A análise da frequência pode ser útil para evitar que ocorram falhas devido a tensões excessivas provocadas pela ressonância. Também fornece informações para resolver problemas de respostas dinâmicas.

• Estudos dinâmicos. Os estudos dinâmicos calculam a resposta de um modelo devidas a cargas que são aplicadas subitamente com tempo ou frequência.

Os estudos dinâmicos lineares se baseiam em estudos de frequência. O software calcula a resposta do modelo através da soma da contribuição de cada modo para o ambiente de carregamento. Na maioria dos casos, os modos inferiores contribuem significativamente para a resposta. A contribuição de um modo depende do conteúdo de frequência, da magnitude, da direção, da duração e da localização da carga.

Os objetivos de uma análise dinâmica incluem: (a) o projeto de sistemas mecânicos ou estruturais para executar sem falha em ambientes dinâmicos e (b) a redução de efeitos de vibração.

• Estudos de Flambagem. A flambagem diz respeito às deformações súbitas provocadas pelas cargas axiais. Estruturas delgadas sujeitas a cargas axiais podem falhar devido a flambagem sob cargas mais baixas do que as necessárias para causar falha do material. A flambagem pode ocorrer de formas diferentes, sob o efeito de várias cargas distintas. Em muitos casos, apenas a menor de todas cargas apresenta interesse.

Estudos estáticos podem ajudar a evitar falhas decorrentes de flambagem.

• Estudos Térmicos. Os estudos térmicos calculam temperaturas, gradientes de temperaturas e fluxos de calor com base na geração, condução, convecção e radiação do calor. Os estudos térmicos podem ser úteis para evitar condições térmicas indesejáveis, como as de superaquecimento e fusão.

• Estudos de Projeto. Os estudos de otimização de projeto automatizam a busca por um projeto ótimo baseado no projeto geométrico. O software possui tecnologia para detecção rápida de tendências e para a identificação da solução ótima usando a menor quantidade de execuções. Os estudos de otimização de projeto requerem a definição dos parâmetros a seguir:

• • Metas ou objetivos. Declare o objetivo do estudo. Por exemplo, quantidade mínima de material a ser usada.

  • Variáveis de projeto. Selecione as dimensões que podem mudar e estabeleça suas faixas de variação. Por exemplo, o diâmetro de um furo pode variar de 0,5 pol a 1,0 pol, enquanto a extrusão de um esboço pode variar de 2,0 pol a 3,0 pol.

  • Restrições. Estabeleça as condições que o projeto ótimo deve satisfazer. Por exemplo, pode ser especificado que um determinado componente da tensão não exceda um certo valor e que a frequência natural fique dentro de uma determinada amplitude de variação.

NOTA: Para estudos de projeto sem otimização, você não define nenhuma meta.

• Estudos Não lineares. Os estudos não lineares poderão ser usados para resolver o problema quando as hipóteses da análise estática linear não forem válidas. As principais fontes de não linearidade são: grandes deslocamentos, propriedades de materiais não lineares e contato. Os estudos não lineares calculam deslocamentos, forças de reação, tensões, e tensões correspondentes a incrementos de cargas e restrições variáveis. Quando forças de inércia e amortecimento não podem ser ignoradas, você pode usar a análise dinâmica não linear.

O termo "estudos não lineares" se refere a estudos estruturais não lineares. Para estudos térmicos, o software automaticamente resolve problemas lineares ou não lineares com base nas propriedades do material, nas restrições térmicas e nas cargas.

A solução de um problema não linear exige muito mais tempo e recursos do que a solução de um estudo estático linear semelhante.

O princípio da sobreposição não se aplica aos estudos não lineares. Por exemplo, se a aplicação da força F1 causa a tensão S1 e a aplicação da força F2 causa a tensão S2 em um determinado ponto, a aplicação de ambas forças juntas NÃO provoca, necessariamente, a tensão (S1 + S2) no ponto, como ocorreria se o estudo fosse linear.

Os estudos não lineares podem ser úteis para a avaliação do comportamento do projeto além das limitações dos estudos estáticos e de flambagem.

Os estudos estáticos oferecem uma solução não linear para problemas de contato quando a opção de grande deslocamento está ativada.

• Estudos de Teste de queda. Os estudos de Teste de queda avaliam o efeito da queda do projeto sobre um piso rígido. Você pode especificar a distância da queda ou a velocidade no momento do impacto, além da gravidade. O programa soluciona um problema dinâmico como função do tempo usando métodos de integração explícitos. Métodos explícitos são rápidos, mas exigem pequenos incrementos de tempo. Devido à grande quantidade de informações que podem ser geradas pela análise, o programa salva os resultados em determinados instantes e locais, de acordo com as definições estabelecidas antes da execução da análise.

Depois do término da análise você poderá plotar e gerar gráficos de deslocamentos, velocidades, acelerações, deformações e tensões.

• Estudos de Fadiga. Com o decorrer do tempo, o repetido carregamento enfraquece os objetos, mesmo quando as tensões induzidas são consideravelmente menores do que os limites de tensão aceitáveis. O número de ciclos exigidos para ocorrência das falhas de fadiga em um local dependem do material e das flutuações das tensões. Essas informações, para cada material, são fornecidas por uma curva chamada curva S-N. Essa curva descreve o número de ciclos que causa falha para diferentes níveis de tensão. Os estudos de fadiga avaliam quanto da vida útil de um objeto já foi consumida com base em eventos de fadiga e nas curvas S-N.