Entendendo FEA: Análise de Elementos Finitos em CAD – Princípios, Aplicações e Software

NESTE ARTIGO:

• O que é FEA (Análise de Elementos Finitos)
• Princípios da Análise de Elementos Finitos e Software de Simulação
• Um Processo Geral em FEA
• Tipo de Método de Elementos Finitos
• Aplicações de Análise de Elementos Finitos em CAD
• Por que Software FEA é Útil
• O Resultado Final

Engenheiros têm a posição invejável de serem inteiramente responsáveis pela integridade e segurança de todos os produtos e estruturas que projetam. Pequenos erros de design frequentemente 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 ao longo de centenas de iterações (e em escala) pode ser proibitivamente caro. Então engenheiros frequentemente recorrem a técnicas de modelagem de simulação (como Análise de Elementos Finitos) para automatizar e simplificar estes testes.

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

Análise de elementos finitos é uma das técnicas mais comuns usadas por engenheiros e designers CAD para simular "estresse" em seus designs.

O que é FEA (Análise de Elementos Finitos)?

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 descrevendo 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 tem que ser dividido em pequenos elementos (os "elementos finitos"), cujos cálculos podem ser facilmente feitos e resolvidos.

Elementos finitos podem ser unidimensionais, bidimensionais ou tridimensionais.

Princípios da Análise de Elementos Finitos e Software de Simulação

Método de elementos finitos é geralmente usado em FEA para computar soluções aproximadas de problemas de contorno (problemas de campo) em engenharia.

"O campo" normalmente representa uma estrutura física como o domínio principal.

"Variáveis de campo" são as variáveis de interesse que são governadas por uma equação diferencial. Elas devem atingir uma condição de contorno 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 é normalmente calculado explicitamente. Estes valores são então usados para computar valores em pontos não-nodais através de interpolação de valores nos nós usando funções de forma.

Um processo geral em FEA

1. Pré-processamento para Manufatura

Este estágio requer que você defina o problema de domínio, propriedades do material, propriedades geométricas, modelo de malha, condições de contorno e tipos de elementos. Tipicamente neste estágio, o engenheiro simplificará o problema o máximo possível para obter resultados rápidos, porém precisos.

Por exemplo, antes da simulação, um modelo CAD pode ter muitos arredondamentos, furos ou outros recursos que não são essenciais para a simulação — mas recursos que consomem recursos computacionais e aumentam tempos de renderização. Engenheiros tipicamente removem estes recursos para acelerar suas simulações.

Isso pode ser feito manualmente (com designers entrando e removendo estes recursos um por um) — ou automaticamente usando CAD defeaturing no software Spatial. Uma grande vantagem de automatizar este processo é a redução de erro humano.

Soluções 3D InterOp e Modeler da Spatial Permitem Reconhecimento de Recursos e Defeaturing Fácil

2. Solução

Aqui, computam-se os valores desconhecidos das variáveis de campo. Você poderia usar estes valores para computar variáveis derivadas como tensões e forças de reação.

3. Pós-processamento

Ordenação, plotagem e impressão é o conjunto final de atividades onde seus resultados selecionados são implementados como soluções para sua análise de elementos finitos.

Tipos de método de elementos finitos

Deficiências na modelagem FEA para alguns campos (como mecânica dos fluidos) pediram várias melhorias no processo de solução enquanto aumentam a diversidade na aplicação de análise de elementos finitos.

Alguns dos tipos comuns incluem:

• Método de elementos finitos estendido (XFEM)

Problemas como fratura de dano ou falha não podem ser tratados pelo método de elementos finitos diretamente.

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

• Método de elementos finitos generalizado

Neste tipo, funções de forma são multiplicadas pela partição-da-unidade enquanto são definidas por coordenadas globais. Isso evita re-malha enquanto você pode formar funções de elemento locais.

Aplicações de Análise de Elementos Finitos em CAD

FEA está entre os recursos mais poderosos e comumente usados em design CAD.

É integral ao CAD para analisar um objeto através do uso de elementos finitos que incluem pequenas formas retangulares e triangulares. Para analisar o objeto inteiro, cada elemento finito na rede do objeto inteiro é analisado, e os resultados são combinados para traçar o comportamento geral de um objeto complexo. Cada elemento pode ser analisado para certos limites de propriedades 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 como requerido em seu design.

Por que software FEA é útil

FEA permite que engenheiros conduzam a simulação de um modelo projetado em vez de ter que criar um modelo físico para propósitos de teste.

FEA oferece mais vantagens.

FEM durante análise permite modelagem de uma variedade diversificada de tipos de material, e a capacidade de monitorar como efeitos confinados impactam uma pequena área de design em geometria complicada.

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

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

A linha final

FEA é preditiva, mas não afirmativa.

Ela não determina que um design suportará os estresses simulados com certeza. Ela apenas dá aos engenheiros uma visão de como o design pode reagir aos estresses impostos enquanto corta no custo de testes físicos.

Para a experiência geral de FEA, existem vários softwares CAD com este recurso que poderiam ajudar você a projetar estruturas melhores e mais precisas em qualquer campo de engenharia em que você esteja.