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Como um objeto se comporta no mundo real?
• Como eles se deformam quando sujeitos a uma força?• Como eles vibram quando excitados?• Quão quente eles se tornam quando aquecidos?• Que campo magnético eles geram quando uma corrente elétrica passa por ele?
Para responder a essas questões devemos considerar a geometriae propriedades mecânicas ou elétricas dos objetos.
Introdução ao MEF
Introdução ao MEF
Definição: MEF consiste num método numérico genérico para solução de equações matemáticas que descrevem fenômenosfísicos em engenharia. Exemplos:• deformação e tensões de uma estrutura sujeita a um
carregamento;• Perfil de temperaturas no motor de um automóvel;• Escoamento de líquidos em dutos; • Campo elétrico de um capacitor;• Campo eletromagnético em um motor elétrico; • Modelagem de MEMS; etc..
Permite simular a maior parte dos fenômenos físicos em engenharia de forma genérica (com poucas hipóteses simplificadoras);
Simulações que podem ser realizadas com o MEF atualmente:-Estrutural:
*análises estática linear (pequenas deformações) e não-linear (grandes deformações, plasticidade, etc.);
*análise dinâmica (resposta em freqüência);*cálculo de freqüência de ressonância;*cálculo de cargas de flambagem;* análise de fadiga, etc.
-Condução de calor (linear e não linear, permanente e transiente);-Análise de campo acústico;-Impacto (de carros ou trens, por exemplo);-Escoamento de Fluidos (em dutos ou canais);-Análise de Campos Magnéticos (simulação de motores elétricos);-Fenômenos Acoplados (piezoelétrico, magneto-estrictivo,etc.);- MEMS
Introdução ao MEF
• Análise de campos eletromagnéticos: particularmente importantes para a otimização do projeto de dispositivos eletromagnéticos tais como motores, geradores, solenóides e outros. Ele é utilizado também para estudar a configuração do campo eletromagnético em circuitos integrados e dispositivos com feixes eletrônicos.
• Análise térmica: o comportamento do fluxo de calor é de grande interesse para a indústria automotiva, geração elétrica, e indústria nuclear. É possível prever a distribuição de temperatura e o fluxo de calor durante o aquecimento, resfriamento e dispositivos de conversão de energia.
• Dinâmica dos fluídos: é possível estudar modelos complexos de turbulência do ar deixado por um automóvel, ou vortex de fluídosem deslocamento sobre os pilares de uma ponte ou outra construção.
Introdução ao MEF
Por exemplo:
• Largamente usado nas indústrias mecânica, naval, aeronáutica, civil e elétrica atualmente, para simulação de estruturas e dispositivos em geral;
• Está altamente integrado com o conceito de projeto em engenharia � processo iterativo onde a simulação têm um papel fundamental � CAE (“Computer Aided Engineering” );
• Papel fundamental na redução do tempo de projeto de MEMS;
• Maior disponibilidade dos computadores � MEF é uma ferramenta de projeto mais acessível atualmente;
• Softwares Comerciais de MEF disponíveis no mercado:MSC/NASTRAN, ADINA, ABAQUS, ANSYS, LS/DYNA, ALGOR, etc.
Introdução ao MEF
ρ=∂
Φ∂+∂
Φ∂2
2
2
2
yx
02
2
=∂Φ∂−
∂Φ∂
tx
02
2
2
2
=∂
Φ∂+∂
Φ∂xt
Equação elíptica
Equação parabólica
Equação hiperbólica
Equações resolvidas pelo MEF
incluindo as condições de contorno.
• Um problema central ao MEF é a fragmentação de cada objeto em um modelo de elementos finitos. O argumento básico é que, como as dimensões dos elementos finitos devem ser escolhidas as menores possíveis.
• Algoritmos sofisticados foram desenvolvidos para fragmentar objetos de formas arbitrárias em elementos finitos retangulares,triangulares, etc. Um problema associado a um modelo de elementos finitos com muitos elementos é o seu tempo de processamento. Assim, o ideal é que o algoritmo possa reconhecerregiões em que há a necessidade de diminuir a dimensão dos elementos finitos e regiões em que esta necessidade não existe.
Discretização do Objeto
Procedimento de uma Análise de MEF
Todos os problemas de análise de elementos finitos envolvem uma seqüência de passos para sua solução, que podem ser resumidos nos seguintes três passos:
• Pré-processamento•Análise• Pós-processamento
Pré-processamento (70% do tempo)
O passo de pré-processamento, é o que exige o maior esforço pelo analista:
– Geometria - a geometria do modelo precisa ser especificada;
– Especificação das propriedades do material - uma vez que a geometria foi definida, as propriedades de cada material precisam ser definidas;
– Geração da malha - uma vez que o objeto foi criado, ele precisa ser discretizado. Existem opções para gerar a malha de forma totalmente automática ou de forma controlada pelo usuário;
– Aplicação da condições de contorno - em alguns problemas mecânicos, certas posições são restringidas a não se movimentarem ou se movimentarem em apenas um sentido;
Pré-processamento
– Função de força - o objetivo do MEF é estudar a resposta do sistema a forças aplicadas. Os sistemas fornecem opções para aplicar forças a cada nó do sistema;
– Validação do modelo - como construir um modelo de MEF é muito complexo e exige um esforço enorme do analista e como a solução de modelos complexos é algo de demanda uma grande quantidade de tempo, é importante verificar se o modelo foi contruído de forma correta.
-Construção do Modelo Geométrico da Peça usando CAD (I-DEAS, Pro/ENGINEER, EUCLID, etc.);-Transferência para o CAE;-Escolha do elemento apropriado para a análise;-Geração da Malha de Elementos Finitos (PATRAN, HYPERMESH, etc.)-Definição das condições de contorno e carregamentos (importante).
Elemento unidimensional (linha)
nós
Elemento quadrilátero
Elementotriangular
nós
Elementos bidimensionaisElemento tridimensional
Resumindo
Exemplos:
Análise ou Solucionador (“ Solver” ) (10% do tempo)
• Uma vez que o modelo foi completado, o pacote de análise é acionado. Esta etapa pode demorar desde minutos a várias horas no computadores mais rápidos.
• O software de MEF irá automaticamente:
- Montar as matrizes de cada elemento;
- Montar a matriz do sistema global;
- Reduzir a matriz global com o uso das condições de contorno.
- Resolver o Sistema
Pós-processamento (20% do tempo)
• O objetivo da fase de pós-processamento é fornecer ao usuário a visualização mais clara possível da solução obtida. É onde computação gráfica atua de forma importante em MEF. Vários modos de visualização são oferecidos nos pacotes de análise:
– plotagem de deflexão;
– plotagem da tensão mecânica;
– valores numéricos;
– animação.
• Neste exemplo vamos construir uma barra simples de dimensões 40”x10”x10” , dividi-laem uma malha simples de 10 elementos, e ancorar uma extremidade. Vamos comparar o resultado obtido com o resultado teórico.
Exemplo 1
• Comparação dos resultados com a teoria:
FEA Teoria Diferença3.976x10-6 in 4x10-6 -.6%MEF
Exemplo 1
• Comparação dos resultados com a teoria:
FEA Teoria Diferença-2.61x10-4 in -2.65x10-4 .1.6%MEF
Exemplo 2
Distorção em uma placa devido a forças sobre o furo
• Definição da geometria e geração da malha
Exemplo 3
Alguns Conceitos Impor tantes na Análise por MEF
• Definição do modelo é complicada � Hierarquia de Modelos:Exemplo: Navio-1o modelo: elementos de viga (somente efeitos principais);-2o modelo: elementos de placa e viga (efeitos principais secundários);-3o modelo: elementos sólidos tridimensionais (efeitos localizados);
• Verificar a discretizacão do modelo (convergência do resultado);
• Rodar um problema simples inicialmente que tenha resultado conhecido para se familiarizar com o software.
Utilização do Software Comercial ANSYS
O ANSYS é um software comercial de MEF que possui um módulo exclusivamente destinado à análise de MEMS, sendo muito usado na
comunidade científica para a modelagem de MEMS. Dessa formaserá utilizado nesse curso para demonstrar a análise de MEMS por MEF.
Como exemplo inicial, será descrito como realizar uma análise estrutural simples de MEF dapeça abaixo usando o ANSYS.
0,15
0,1
0,1
0,04 0,15
0,02
0,02
0,1
0,05
0,04
P=25MPa
P=25MPa
Espessura=0,001; E=21.109 Pa; v=0,3
Unidade: m
A
B
Criando a Malha de Elementos Fintos (“ Mesh” )
Definindo o tipo de malha: triangular, retangular ou mista
• Dispositivos Inerciais
• Comb-Dr ives& Atuadores térmicos
• Transdutoresde Pressão
• Filtros RF - Ressonadores
• “ Lab-on-a-chip”
• Tecnologia de Impressoras “ Ink Jet”
• Tecnologia de M icroespelhos
Estrutural
Fluida
Térmica
Eletrostática
Elétrica
Eletromagnética
Capacidades “ Multiphysics” do ANSYS
• Unidades MKS (S.I.) não são úteis paraMEMS;
• Conjunto de unidades consistentes foram desenvolvidas tendo
como base o micrômetro;
• Introdução de dois novos sistemas de unidades:
–uMKSV (micrometro, kilograma, segundo, volt, pico-ampére)
–uMVSfA (micrometro, volt, segundo, fento-ampére, grama)
• Geometriaé dadaem µm e propriedades de materiais são
escaladas.
Sistema de Unidades
• Permite modelar estruturas (incluindo MEMS) de uma forma rápida e eficiente.
• Consiste em representar fenômenos complexos de usando elementos concentrados baseados em modelos simples:• Aproximação de dispositivos mecânicos:
–molas, massa concentrada, amortecedores, vigas, treliças
• Simulação de dispositivos com campos acoplados:
–Transdutores
• Caracterização de circuitos elétricos:
–Resistores, capacitores, indutores, fontes, etc.
Modelagem Simplificada
Modelos de ordem reduzida podem assumir diferentes níveis de abstração, desde elementos
concentrados até o modelo inteiro de MEF.
MecânicoCOMB14, COMB39, MASS21
ElétricoCIRCU124
TransdutorTRANS126Modelo
Sólido deElementos
Finitos
Modelagem Simplificada
• Elementos MEF para circuitos elétricos;
• Modelagem de qualquer configuração do circuito;
• Análises estática, harmônica e transiente;
• Calcula (V, I, Potência).
Simulação acoplada com o circuito elétr ico de excitação
Potencialidades
A seguir são mostradas algumas potencialidades do MEF na simulação de MEMS atualmente.
Caracter ização de Amortecimento Fluido- Estrutura
• ANSYS/FLOTRAN permite a modelagem de estruturas móveis em líquidos, ou seja, problemas; transientes com movimento de estrutura;
• Forças de sustentação e arrasto podem ser calculadas.
Vista de um espelhorotacionando em ar
Vista de um comb drive
Caracter ização de Amortecimento Fluido- Estrutura
Amortecimento de um “Comb-driver”
Simulação de super fícies livres de líquidos
Modelagem de superfícies livres levando em conta a tensão superficial. Por exemplo,
modelagem de problemas transiente no tempo envolvendo líquidos em movimento com superfície livre.