O que é FEA (Análise de Elementos Finitos) em CAD?

NESTE ARTIGO:

• O que é FEA (Análise de Elementos Finitos)
• Princípios do software de simulação e análise de elementos finitos
• Um processo geral em FEA
• Tipo de método de elementos finitos
• Aplicativos de análise de elementos finitos em CAD
• Por que o software FEA é útil
• O resultado final

Os engenheiros têm a posição nada invejável de serem inteiramente responsáveis ​​pela integridade e segurança de todos os produtos e estruturas que projetam. Pequenos erros de projeto muitas vezes levam a desastres iminentes (que frequentemente vão a tribunal e são litigados).

É por isso que produtos e estruturas passam por uma série de testes de estresse e otimização antes de serem implantados no mundo real. Mas fazer isso em centenas de iterações (e em escala) pode ser proibitivamente caro. Portanto, os engenheiros geralmente recorrem a técnicas de modelagem de simulação (como Análise de Elementos Finitos) para automatizar e simplificar esses testes.

Isso ajuda a reduzir o uso de materiais para prototipagem iterativa, que de outra forma seriam usados ​​na atualização.

A análise de elementos finitos é uma das técnicas mais comuns usadas por engenheiros e designers de CAD para simular “estresse” em seus projetos.

O que é FEA (Análise de Elementos Finitos)?

A análise de elementos finitos (FEA) é uma técnica numérica usada para resolver problemas de engenharia com uma série de cálculos baseados em física.

Por exemplo, um engenheiro projetando uma ponte precisará prever o comportamento da estrutura sob carga. O sistema de equações que descreve a distribuição de tensões estruturais pode ser conhecido, mas não pode ser facilmente (ou diretamente) resolvido para uma estrutura complicada como uma ponte.

Portanto, o sistema deve ser decomposto em pequenos elementos (os “elementos finitos”), cujos cálculos podem ser feitos e resolvidos facilmente.

Os elementos finitos podem ser unidimensionais, bidimensionais ou tridimensionais.

Princípios do software de simulação e análise de elementos finitos

O método dos elementos finitos é geralmente usado em FEA para calcular soluções aproximadas de problemas de contorno (problemas de campo) em engenharia.

“O campo” normalmente representa uma estrutura física como domínio principal.

“Variáveis ​​de campo” são as variáveis ​​de interesse que são governadas por uma equação diferencial. Eles devem atingir uma condição de limite para valores específicos das variáveis ​​(ou variáveis ​​relacionadas)

Um “nó” é um ponto específico no elemento finito que contém o valor da variável de campo -- que normalmente é calculado explicitamente. Esses valores são então usados ​​para calcular valores em pontos não nodais por meio da interpolação de valores nos nós usando funções de forma.

Um processo geral em FEA

1. Pré-processamento para fabricação

Esta etapa requer que você defina o problema de domínio, propriedades do material, propriedades geométricas, modelo de malha, condições de contorno e os tipos de elementos. Normalmente, nesta fase, o engenheiro simplificará o problema o máximo possível para obter resultados rápidos e precisos.

Por exemplo, antes da simulação, um modelo CAD pode ter muitos filetes, furos ou outros recursos que não são essenciais para a simulação, mas recursos que consomem recursos computacionais e aumentam os tempos de renderização. Os engenheiros geralmente removem esses recursos para acelerar suas simulações.

Isso pode ser feito manualmente (com designers entrando e removendo esses recursos um por um) - ou automaticamente usando CAD desmontagem no software Spatial. Uma grande vantagem de automatizar esse processo é a redução do erro humano.

As soluções de interoperabilidade e modelador 3D da Spatial permitem reconhecimento de recursos e facilidade de defeaturing

2. Solução

Aqui, os cálculos são feitos para os valores desconhecidos das variáveis ​​de campo. Você pode usar esses valores para calcular variáveis ​​derivadas, como tensões e forças de reação.

3. Pós-processamento

Classificar, plotar e imprimir é o conjunto final de atividades em que os resultados selecionados são implementados como soluções para sua análise de elementos finitos.

Tipos de método de elementos finitos

As deficiências na modelagem FEA para alguns campos (como a mecânica dos fluidos) exigiram várias melhorias no processo de solução, aumentando a diversidade na aplicação da análise de elementos finitos.

Alguns dos tipos comuns incluem;

• O método finito estendido (XFEM)

Problemas como danos, fraturas ou falhas não podem ser tratados diretamente pelo método dos elementos finitos.

XFEM — que usa o método de Galerkin e funções de passo Heaviside — permite a expansão das funções de forma. Os nós recebem graus de liberdade extras nos pontos de descontinuidade para consideração.

• O método dos elementos finitos generalizado

Neste tipo, as funções de forma são multiplicadas pela partição da unidade enquanto são definidas por coordenadas globais. Isso evita a nova malha enquanto você pode formar funções de elementos locais.

Aplicativos de análise de elementos finitos em CAD

O FEA está entre os recursos mais poderosos e comumente usados ​​no design CAD.

É parte integrante do CAD para analisar um objeto através do uso de elementos finitos que incluem pequenas formas retangulares e triangulares. Para analisar todo o objeto, cada elemento finito em toda a rede de objetos é analisado e os resultados são combinados para traçar o comportamento geral de um objeto complexo. Cada elemento pode ser analisado para determinados limites de propriedade, como tensão-deformação, dinâmica, propriedades térmicas - ou quaisquer outras características (dependendo de onde é aplicado).

Em um fluxo de trabalho CAD, você pode definir cada elemento e estrutura de rede conforme necessário em seu projeto.

Por que o software FEA é útil

A FEA permite que os engenheiros conduzam a simulação de um modelo projetado em vez de criar um modelo físico para fins de teste.

A FEA oferece mais vantagens.

O FEM durante a análise permite a modelagem de diversos tipos de materiais e a capacidade de monitorar como os efeitos confinados afetam uma pequena área de projeto em geometria complicada.

Os engenheiros podem usar software especializado para modelagem de elementos finitos para uma ampla gama de tarefas.

Dinâmica de fluidos, deformação de um veículo por colisão e estresse nos ossos humanos são algumas das utilizações práticas do software de modelagem de elementos finitos por engenheiros.

O resultado final

A FEA é preditiva, mas não afirmativa.

Ele não garante que um projeto irá suportar as tensões simuladas com certeza. Ele apenas fornece aos engenheiros uma visão de como o projeto pode reagir às tensões impostas enquanto reduz o custo dos testes físicos.

Para a experiência geral da FEA, existem vários softwares CAD com esse recurso que podem ajudá-lo a projetar estruturas melhores e precisas em qualquer campo da engenharia em que você esteja.