CAD/CAE/CAM

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Um software de CAE é usado para a simulação do comportamento da peça na situação real de operação. Assim, no caso de uma peça mecânica são calculadas as tensões mecânicas, deslocamentos (como no exemplo da batedeira citado na introdução deste artigo), distribuição de temperaturas, fluxo de calor na peça, etc… Existem CAEs especialistas na simulação do funcionamento de um circuito elétrico, por exemplo, ou seja, sabendo-se o sinal de entrada pode- se determinar o sinal de resposta gerado pelo circuito, assim como sabendo-se as forças que atuam numa estrutura podemos calcular os seus deslocamentos. O principal objetivo do CAE é reduzir o tempo e custo de desenvolvimento do produto aumentando a sua qualidade. Se o CAE é capaz de simular o comportamento real do produto, este permite ao engenheiro avaliar com precisão o projeto feito no CAD sem precisar fabricar protótipos. O CAE consiste portanto, numa ferramenta importante para o engenheiro.

Entre os tipos de CAE temos os CAEs baseados no chamado Método de Elementos Finitos (MEF), CAEs destinados à simulação dinâmica de mecanismos, CAEs destinados à simulação de sistemas discretos e CAEs destinados ao processamento simbólico.

Os CAEs destinados à simulação dinâmica de mecanismos permitem simular o funcionamento de um robô, por exemplo, calculando as velocidades e acelerações de suas diferentes partes considerando os torques dos motores de acionamento, a carga a ser movimentada, etc… É uma simulação mais fiel a realidade, ao contrário do CAD onde somente é feita uma animação do funcionamento do robô. Os CAEs destinados à simulação de sistemas discretos simulam, por exemplo, um circuito pneumático onde um movimento para ocorrer depende de uma condição já ter ocorrida, como o pistão pressionar uma válvula, por exemplo. Linhas de manufatura numa indústria também podem ser simuladas com esse tipo de CAE. CAEs destinados ao processamento simbólico permitem manipular diretamente as equações matemáticas que descrevem o fenômeno que se quer modelar.

No entanto, a maior parte dos CAEs são baseados principalmente no MEF e permitem atualmente simular inúmeros fenômenos físicos em engenharia, como por exemplo, deformação de estruturas mecânicas sujeitas a um certo carregamento, distribuição de temperaturas num motor, campo acústico gerado no interior de um ambiente, escoamento de ar ao redor das asas de um avião, etc… Para isso o MEF exige que o modelo de CAE seja discretizado em pequenos elementos denominados “elementos finitos” como mostrado na figura 7. Essa discretização consiste em se gerar uma malha (“mesh”) no modelo de CAD. Pode ser feita no CAD ou no próprio CAE mediante o modelo importado do CAD.

Muitos CAEs possuem um CAD (mais simples) integrado para tentar evitar que o usuário tenha que transferir arquivos de um software para o outro.

Uma vez discretizado o modelo, são aplicados carregamentos representados por forças, pressões, acelerações, temperaturas, voltagem, corrente elétrica, etc… e as restrições que correspondem aos pontos em que a estrutura será presa (deslocamento nulo), ou pontos com valores de temperatura e voltagem especificados (valor zero, por exemplo). Além disso, devem ser especificados também os materiais que compõem a peça, especificando suas propriedades físicas (densidade, módulo de elasticidade, etc…).

Assim, uma análise de CAE é composta das seguintes etapas (ver figura 8): o pré-processamento, o solucionador e o pós-processamento. No pré-processamento é construído o modelo (ou importado do CAD) e gerado a malha de elementos finitos sobre esse modelo de CAD. Nessa etapa devem ser escolhidos o tipo de elemento a ser usado (conforme veremos adiante), o material das partes da peça, além de serem aplicados os carregamentos e as restrições, ou seja, deslocamentos, temperaturas ou potenciais elétricos pres-critos. Na segunda etapa, o solucionador, são resolvidas as equações matemáticas que descrevem o comportamento físico da peça. Na última etapa, pós-processamento, são visualizados os resultados como distribuição das tensões mecânicas ou deslocamentos no caso de estruturas mecânicas, ou a distribuição de temperaturas ou potencial elétrico, enfim o que se desejar visualizar compatível com a análise feita (ver figuras 9, 10 e 11).

No seu interior os CAEs possuem formulações matemáticas complexas que estão relacionadas com o fenômeno físico que se quer simular (mecânico, elétrico, fluido escoando, eletromagmético, etc…). Essa formulação está agregada a cada tipo de elemento finito. Existe assim um banco de dados de elementos finitos no CAE, cada um relacionado com um fenômeno físico específico e contendo uma certa aproximação na modelagem do fenômeno real. Assim, existem elementos unidimensionais, bidimensionais e tridimensionais como mostrado na figura 12.

Nesse sentido o modelo do CAE não precisa ser necessariamente igual em forma ao modelo de CAD da peça real, mas deve apenas poder representar o seu comportamento mecânico ou elétrico real. Isso é possível graças às formulações matemáticas implementadas no interior do software. Por exemplo, consideremos a modelagem da asa de um avião. Podemos numa etapa inicial representá-la por uma linha que será discretizada por elementos unidimensionais chamados “elementos de viga” (ver figura 12). Trata-se de um modelo de CAE simplificado onde cada elemento, no entanto, conteria informações sobre as dimensões da seção da asa, sua área, seu material, etc… Visualmente, esse modelo é bem diferente da geometria real, mas já é capaz de nos dar uma boa noção inicial do comportamento mecânico da asa, por exemplo. Um modelo de CAE mais sofisticado consiste em se representar a asa com elementos do tipo “placa”(ver elementos bidimensionais na figura12) e as longarinas internas por elementos unidimensionais de viga. As placas conteriam informação da espessura, material, etc… O visual desse modelo de CAE já estaria mais próximo da geometria da asa real, por exemplo, e do ponto de vista físico nos fornece uma noção mais precisa do comportamento mecânico da asa. Finalmente o último estágio de sofisticação seria representar a asa por elementos sólidos do tipo “tijolo” (ver elemento hexahédrico na figura 12). Visualmente, esse modelo é idêntico em geometria a asa real e certamente nos forneceria um resultado detalhado sobre as concentrações de tensões mecânicas na asa, deformações localizadas, etc… No entanto, o custo computacional desse último modelo de CAE seria brutalmente maior do que o do primeiro modelo unidimensional tornando-o inviável. No caso da asa, o segundo modelo com elementos de placas e vigas já seria suficiente, por exemplo. A modelagem de uma peça usando elementos sólidos do tipo “tijolo” seria mais indicada para uma peça sólida do tipo, fundida, forjada, ou usinada. Enfim, o engenheiro deve aprender a abstração da modelagem de CAE pelo fato de, novamente, o modelo de CAE não precisar necessariamente ter um visual igual à geometria da peça real, mas deve ser capaz de representá-la fisicamente.

Algumas simulações envolvem vários fenômenos físicos e exigem CAEs multidisciplinares. Por exemplo, a simulação de um avião voando exigiria a simulação do escoamento do ar ao redor da asa e a simulação de como esse escoamento provoca a deformação da asa devido às forças de sustentação e de arrasto aerodinâmico. Ao mesmo tempo, a asa se deformando, o escoamento do ar ao seu redor é alterado. Assim uma simulação realística desse fenômeno exigiria um CAE que combine o efeito estrutural e aerodinâmico. Um exemplo de sofisticação de análise computacional possível de se atingir atualmente usando um software de CAE está ilustrado na figura 13,onde é simulado o campo magnético de um magneto. O resultado é mostrado em termos de distribuição de vetores de campo magnético ao longo do magneto.

Considerando as etapas do CAE acima, a que consome mais tempo é o pré-processamento onde é construído o modelo CAE. O pré-processamento pode chegar a representar 70% do tempo de uma análise de CAE, enquanto que a análise e pós-processamento juntos representam 30%!! Em geral, a construção do modelo do CAE é feita a partir do modelo constr uído no CAD, a menos que se deseje utilizar um modelo simplificado uni ou bidimensional, como discutido anterior mente. Nesse caso, alguns softwares de CAE possuem um CAD no seu interior para evitar que o usuário tenha que usar outro software (de CAD), no entanto são CADs limitados em relação a um software dedicado especificamente à CAD. Assim, no caso geral, o modelo deve ser transferido do CAD para o CAE. No entanto essa transferência nem sempre é bem sucedida. Entre os problemas temos inicialmente a comunicação entre o CAD e o CAE que é feita através da escrita e leitura de arquivos tipo texto. Muitas vezes os arquivos gerados pelo CAD não são lidos com sucesso pelo CAE por excesso ou falta de informações.

Uma vez transferido o modelo, deve ser gerada a malha sobre o modelo como já comentado. Se o modelo apresentar pequenos detalhes (furos, cantos vivos, etc.) a geração de malha pelo CAE não será bem sucedida ou uma malha muito fina será desnecessariamente gerada (ver figura 14). Isso exigirá que se retorne ao CAD e se eliminem esses pequenos detalhes (processo conhecido como “defeaturing”) e novamente transferir o modelo para o CAE para se tentar uma nova geração de malha.

Esse processo tradicional, descrito acima, pode ser demorado e tedioso. Imagine uma peça complexa como um bloco de motor, caixa de câmbio de um automóvel ou uma peça qualquer fundida ou forjada como ilustrado nafigura 15. Se a peça já existe e queremos modelá-la, a construção de um modelo CAD pode levar meses!! Além disso, teremos os problemas de transferência do arquivo do CAD para o CAE e a geração de malha como já comentados acima. Assim o alto tempo e custo desestimulam a indústria a realizar simulações CAE dessas peças complexas. Uma solução que vem sendo usada em grandes empresas no exterior é realizar uma tomografia da peça mecânica. O tomógrafo é um aparelho que permite obter as imagens das seções transversais de um sólido de forma rápida sendo muito utilizado em hospitais pelos médicos para visualizar o interior do corpo humano. Obtidas essas imagens, o sólido é reconstruído no computador de forma a se obter uma imagem de voxels do sólido. Um voxel é a unidade básica de representação de uma imagem tridimensional, assim como, o pixel é a unidade básica de representação de uma imagem bidimensional no computador. Uma vez obtida a imagem de voxels, a geração do modelo CAE é obtida convertendo-se cada voxel num elemento finito do tipo “tijolo”. Assim, o modelo CAE de uma peça complexa pode ser obtido em menos de um dia!!! A figura 16 ilustra o processo.

Isso teria grande aplicação em projeto de próteses biomédicas, por exemplo, pois são peças complexas que variam de pessoa para pessoa. A simulação por CAE se faz necessária para se prever o comportamento mecânico da prótese antes de colocá-la no paciente. Com esse método, o modelo CAE é facilmente obtido sem a necessidade de se aprender a utilizar um software de CAD. Assim, pode ser usado por um médico, por exemplo, que teria um tomógrafo disponível no hospital.

No entanto, a simulação do comportamento da peça em si, ajuda o engenheiro a verificar os problemas de projeto, mas ainda não é suficiente. O principal problema é sugerir modificações na peça que melhorem o seu desempenho, o que é uma tarefa complexa. A simulação nos ajuda a ter uma idéia da sensibilidade do projeto, ou seja, alterando a forma da peça aqui e ali, temos uma noção do quanto irá influenciar no se desempenho final realizando simulaç0ões. Isso resulta num processo de projeto iterativo como já ilustrado na figura 1. Mas, seria interessante que o próprio CAE nos sugerisse onde alterar a forma da peça de maneira a melhorar o seu desempenho, o que certamente aumentaria drasticamente a eficiência do processo de projeto. Isso é conseguido atualmente utilizando-se métodos de otimização integrados ao CAE. Esses métodos realizam uma busca orientada dos parâmetros de geometria da peça de forma a obter a forma que otimize o desempenho da peça. Esse desempenho pode ser, por exemplo, a rigidez da peça, redução das tensões mecânicas, etc… Um critério de desempenho muito comum na indústria automotiva e aeronáutica é projetar peças com máxima rigidez e com menor peso. No caso da batedeira, mencionado na introdução, é interessante que a geometria de sua estrutura seja rígida o suficiente para que a deformação não prejudique a geração da “clara em neve” (já comentado), mas não deve conter uma quantidade de material maior do que a necessária, o que encareceria os custos na indústria. Por exemplo, se fabricamos 1000 batedeiras por dia, e se cada uma delas tem uma massa de 200 g a mais do que o necessário isso significa 6 toneladas de material a mais por mês!!! O mesmo vale para a produção de automóveis. No caso de um avião, o problema é que uma peça com peso além do necessário, reduz a capacidade de carga do avião. Obter uma peça com máxima rigidez e menor peso não é uma tarefa intuitiva para o ser humano, e somente pode ser conseguida através do computador.

A otimização integrada ao CAE tem atualmente vários níveis. Podemos otimizar apenas as dimensões da peça (otimização paramétrica), podemos alterar a forma externa e interna da peça (otimização de forma), ou podemos alterar a topologia da peça, ou seja, encontrar novos “furos” nessa peça. Esse último tipo de otimização é chamada otimização topológica. O desempenho da peça e a redução de material obtida aumentam da otimização paramétrica para a otimização topológica.

A Otimização Topológica (OT) é um método que vem sendo muito utilizado na indústria dos EUA, Japão e Europa nos últimos cinco anos. O Método de Otimização Topológica (MOT) permite sintetizar estruturas de acordo com um certo desempenho especificado, por exemplo, máxima rigidez e menor peso. As figuras 17 e 18 ilustram algumas estruturas sintetizadas pelo MOT. Inicialmente é definido o volume de existência da estrutura, ou seja, uma região que é limitada apenas pelos pontos onde a estrutura estará fixada, pontos de aplicação de carga e regiões que a estrutura não pode invadir. Além disso, pode-se ainda definir regiões em que o material não pode ser retirado (sólido) e regiões em que não pode haver material (vazio) (ver figura 18). Esse domínio é discretizado em elementos finitos, e fornecido ao software de MOT. Num processo iterativo, o software de MOT vai distribuir de forma ótima o material no interior do volume de existência de maneira a maximizar o desempenho desejado para a peça (por exemplo, máxima rigidez e menor peso).

Assim, o MOT consiste no estágio mais avançado da otimização, e o CAE não mais se limita a analisar geometrias propostas no CAD, mas agora é capaz de sintetizá-las também de forma ótima.

As reduções de massa obtidas na indústria com a utilização de um CAE com o MOT chegam a 40% da massa inicial de um projeto tradicional obtido sem a utilização do MOT. Isso demonstra a potencialidade de ferramentas de otimização integradas ao CAE. Trata-se de uma área em rápido crescimento na indústria no exterior sendo motivo de várias pesquisas no meio acadêmico. Já existem CAEs dedicados ao MOT disponíveis no mercado que permitem sintetizar uma peça de forma a obter o seu modelo de CAD final.

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