Upload
turtoi-petrica
View
473
Download
5
Embed Size (px)
Citation preview
INTRODUÇÃO
A finalidade deste trabalho é o desenvolvimento de um tutorial que possibilite
mostrar passo a passo a construção de um modelo que represente um problema de
interação fluido-estrutura (artéria e corrente sanguínea, ou um caso semelhante),
usando o software comercial ANSYS.
A metodologia aplicada foi centrada em demonstrações visuais através de
fotos de janelas do próprio software, deixando assim, mais clara a visualização dos
comandos e a localização dos mesmos.
Devido às inúmeras formas de aplicações do problema com interação entre
fluido e estrutura, o usuário poderá não usar completamente todos os comandos
apresentados ou até mesmo precisar de outros não mencionados nesse trabalho, já
que cada problema tem sua particularidade.
O trabalho estará dividido basicamente em três etapas:
• Pré-processor – Fase inicial da modelagem. Será mostrado passo a passo a
construção de um modelo simulando um fluido escoando no interior de uma parede
elástica em 3D (modelo este que será baseado em um caso específico para
simulação de um fluxo sanguíneo dentro de uma artéria).
• Solution – Apresentação geral dos comandos oferecidos para a definição dos
parâmetros, restrições, aplicações de forças, pressões, velocidades de fluidos e
propriedades gerais. Lembrando sempre que cada usuário estará trabalhando com
um caso específico e, portanto, poderão atribuir dados de acordo com seus
parâmetros definidos.
• Pós-processor – Última parte do trabalho, responsável pela apresentação dos
resultados (gráficos, plotagens, listas de resultados e animações).
O QUE É ANSYS?
ANSYS é um poderoso programa que utiliza o método de elementos finitos
para análise de projetos, tais como: estruturas estáticas ou dinâmicas, fluidos,
transferência de calor, acústica e eletromagnética.
A análise por elementos finitos feita pelo ANSYS pode ainda ser dividida em
três etapas:
1. Pré-processamento (Preprocessor):
Esta é a etapa inicial do processo no qual é possível criar o modelo para
análise. É possível definir a malha, o tipo de elemento, propriedades geométricas e
até as propriedades do material. Podemos também definir as condições de contorno
e carga aplicadas (essas ferramentas também estão presentes no segundo passo da
análise).
Os detalhes do estudo dependerão da dimensão do problema (1D, 2D ou 3D).
2. Solução (Solution):
Na segunda etapa do processo é possível definir o tipo de análise (estática,
modal, transiente, entre outras), condições de contornos, cargas aplicadas, restrições
de movimento e cálculo de resultados.
3. Pós-processamento (Postprocess).
A terceira e última etapa do processo permite a análise e visualização dos
resultados como: diagramas de tensão, deformação e deflexão, apresentação dos
pontos críticos, listagem dos deslocamentos nodais, de tensões ou qualquer outro
tipo de variável de análise.
AMBIENTE DO ANSYS
O ambiente do ANSYS consiste em duas janelas: a principal (main window) e
a outra de saída (output window).
• Janela Principal
Fig. 1: Janela Principal (main window).
Nesta janela o usuário realiza todas as tarefas para análise e visualiza os
resultados da análise. Ela é composta por:
• Menu de utilidades:
Contém todas as funções disponíveis, tais como: controle de arquivos, pastas,
gráficos e parâmetros, seleções.
• Linha de comando de entrada:
Mostra ao usuário mensagens do programa, comandos executados e também
permite que alguns comandos possam ser digitados diretamente.
• Menu principal:
O usuário pode encontrar de maneira rápida funções primárias do ANSYS,
organizadas de maneira simples em: pré-processamento, solução e pós-
processamento.
• Janela gráfica:
Possibilita ao usuário criar um modelo, aplicar cargas, definir restrições e
visualizar os resultados.
• Janela de saída
É responsável por mostrar as ações realizadas dentro do programa; está
sempre aberta quando o programa é executado (caso usuário tente fechar essa
janela, todo o programa é finalizado) e pode ser vista se selecionada pelo usuário.
Fig. 2: Janela de saída do ANSYS.
• Tipos de Arquivos do ANSYS
Fig. 3: Tabela com os tipos de arquivos dos ANSYS (Fonte: Santos, S.C., 2008).
• Comandos para Salvar e Recuperar Dados
O usuário do programa ANSYS pode contar com opções para recuperar e
salvar dados caso precise, são esses:
o Clear & Start New: Utilizado para limpar todo o banco de dados;
o Change Jobname: Pode-se mudar o nome do arquivo de extensão, tipo *.db;
o Change Directory: Altera a pasta onde são gerados os arquivos do projeto
(recomenda-se criar uma pasta para cada tipo de análise e abrir a partir desse
comando para facilitar o processamento, caso não feita em sessão única);
o Change Title: Muda o título do projeto;
o Resume Jobname.db: Restaura o último salvamento do arquivo;
o Resume from: Abre o arquivo já existente de extensão *.db;
o Save as Jobname.db: Salva o projeto atual;
o Save as: O usuário pode salvar o projeto atual com outro nome.
Ao finalizar o programa ANSYS o usuário tem algumas opções de salvamento
fornecidas automaticamente pelo software.
o EXIT/Save Geom+Loads: Salva os dados do pré-processamento;
o EXIT/Save Geo+Lod+Solu: Salva todos os dados do modelo e dados da
solução;
o EXIT/Evertihng: Salva todos os dados do modelo, solução e do pós-
processamento;
o EXIT/NO SAVE: Não é salvo nenhum dos dados da análise;
• Execução do software ANSYS
O usuário pode executar sua análise por dois métodos: um consiste em utilizar
o menu principal, onde todas ferramentas para realização do processo de análise se
encontram; o outro, indicado para usuários com conhecimentos avançados, consiste
em inserir todo o processo de análise por meio de comandos, o que facilita a
manipulação dos dados e propriedades do modelo, além de que, comparado ao
primeiro, se torna bem mais rápido. Nesse tutorial iremos aplicar o primeiro método.
MODELANDO O PROBLEMA
A partir de agora vamos observar, passo a passo, como será feito um modelo
da artéria e o fluxo sanguíneo utilizando, para tanto, o software ANSYS. Tal modelo
não utilizará valores de quaisquer propriedades ou dimensões, apenas será levado
em conta o processo de construção, contudo, servirá como auxílio para outros
trabalhos que apresentem problema de interação fluido-estrutura.
PRÉ-PROCESSAMENTO (PRÉ-PROCESSOR)
PASSO 1 - Escolher as preferências de modelagem no filtro de opções.
Neste passo, o usuário tem a opção de escolher as preferências para
modelagem, como por exemplo: térmico, magnético, elétrico, fluido, estrutural. Cabe
salientar que esse passo pode ser ignorado pelo usuário, já que ele funciona apenas
para filtrar as opções que o programa irá fornecer mais adiante, oferecendo somente
os dados referentes ao tipo de análise. Selecionaremos para nosso tipo de análise
estrutural o FLOTRAN CFD.
Preferences � Structural/FLOTRAN CFD � OK.
Fig. 4: Seleção das preferências para análise.
PASSO 2 - Escolher os tipos de elementos e graus de liberdade para análise.
Iniciaremos efetivamente a fase de pré-processamento com a escolha dos
tipos de elementos para nossa análise.
Usaremos para esse exemplo de análise o elemento SOLID 187 para
estrutura e FLUID 142 para representar o fluido.
O elemento SOLID 187 representado na figura 5, logo abaixo, é utilizado para
estruturas finas, que servirá para nosso exemplo, pois se trata de um modelo arterial.
O elemento é composto de 10 nós e 3 graus de liberdade em cada um.
Fig. 5: SOLID 187 – Geometria tetraédrica e localização dos nós.
Preprocessor � Element Type � Add/Edit/Delete � Solid � Tet 10nodes 187
Fig. 6: Definindo o tipo de elemento para estrutura.
O elemento FLUID 142 (figura 7) é utilizado para problemas de fluidos com
escoamento em regime transiente, fluidos incompressíveis e rotacionais. Suas
equações de conservação são para escoamentos de fluidos viscosos. Utilizado para
análises de interação fluido-estrutura, esses elementos possuem 8 nós e 7 graus de
liberdade, sendo presentes nos campos de pressão, deslocamento e velocidade.
Fig. 7: FLUID 142 – Geometria, localização dos nós e sistema de coordenadas.
Preprocessor � Element Type � Add/Edit/Delete � FLOTRAN CFD � 3D
FLOTRAN 142
Fig. 8: Definindo o tipo de elemento para o fluido.
Definidos os elementos para análise, vamos selecionar os graus de liberdade
para obter os resultados do processo.
Preprocessor � Element Type � Add DOF
Fig. 9: Definindo os graus de liberdade para análise.
Estão disponíveis várias opções para o usuário escolher aquela que melhor se
adequa ao seu trabalho. Já para evitar usar controles desnecessários, existe uma
tabela no HELP do ANSYS que mostra as definições de cada comando. Essa tabela
está representada abaixo:
DISCIPLINA GRAUS DE LIBERDADE COMANDO DO ANSYS
Estrutural Translação
Rotação
UX, UY, UZ
ROTX, ROTY, ROTZ
Térmico Temperatura TEMP, TBOT, TE2, ... TTOP
Magnético Vetorial
Escalar
AX, AY, AZ
MAG
Elétrico Voltagem VOLT
Fluido Velocidades VX, VY, VZ
Pressão
Energia Cinética Turbolenta
Razão de Dissipação Tubolenta
PRES
ENKE
ENDS
Tabela 1: Graus de liberdade e aplicações (Fonte: Help ANSYS).
Passo 3 – Propriedades do material.
Após escolher os elementos e os graus de liberdade para o estudo da análise,
iremos agora determinar as propriedades da estrutura, como: módulo de
elasticidade, coeficiente de Poisson, densidade da parede. A escolha das
propriedades do fluido ficará para adiante, como veremos.
Preprocessor � Material Models � Structural � Linear � Elastic � Isotropic
Após selecionar o tipo de estrutura, irá aparecer uma janela para definição das
propriedades do material (Figura 10).
• Módulo de Elasticidade (EX)
• Coeficiente de Poisson (PRXY)
Fig. 10: Definindo propriedades da estrutura (módulo de elasticidade e coeficiente de
Poisson).
Pode-se também definir a densidade (DENS) da estrutura.
Preprocessor � Material Models � Structural � Density
Fig. 11: Definindo a densidade da estrutura.
Passo 4 – Criando as Geometrias para Análise
Agora, iremos desenhar as geometrias para atribuição dos elementos. Como o
problema em questão refere-se a uma interação fluido-estrutura que, por sua vez,
acontece entre artéria e fluxo sanguíneo, criaremos dois cilindros.
Os cilindros deverão ser acoplados através de uma coordenada em comum
entre eles, assim, será construído um sólido que ficará ao centro representando o
fluido, e outro estará oco e envolverá o sólido, esse, representando a estrutura. Seus
comprimentos deverão ser os mesmos e os centros nas coordenadas nos eixos X e
Y também devem coincidir.
Construindo o cilindro sólido (fluido):
Preprocessor � Modeling � Create � Volumes � Cylinder � Solid Cylinder
Para desenhá-lo devemos colocar as coordenadas correspondentes ao
modelo estudado como: centro do cilindro no eixo de coordenada X (WP X), sendo
no eixo de coordenada Y (WP Y), raio do cilindro (Radius) e comprimento do mesmo
(Depth).
Fig. 12: Construção do cilindro sólido (fluido).
Fig. 13: Cilindro sólido (fluido).
Construção do cilindro oco (estrutura):
Preprocessor � Modeling � Create � Volumes � Cylinder � Hollow Cylinder
O processo de coordenadas é, em partes, semelhante ao anterior. Simulamos
as coordenadas do centro (WP X e WP Y) e raio interno (Rad-1) mantendo esse
último com mesma medida do raio do cilindro desenhado anteriormente, já que esta
coordenada definirá o ponto comum entre fluido e a estrutura.
Definimos também o raio externo (Rad-2) que corresponde ao diâmetro da
artéria, além do comprimento (Depth) igual ao anterior.
Fig. 14: Construção do cilindro oco (estrutura).
Fig. 15: Modelo criado.
Passo 5 – Criando a Malha dos Elementos
Neste momento, cabe definir a malha para nosso modelo e, para tanto,
deveremos atribuir para cada elemento um tipo de material (estrutura ou fluido).
Preprocessor � Meshing � Mesh Attributes � Picked Volumes
O usuário deverá selecionar um dos volumes e atribuir o material
correspondente. Por exemplo, na figura 16 foi selecionado o volume central que
corresponde ao fluido.
Fig. 16: Seleção do volume interno (fluido) para criação da malha.
Em seguida, abrirá uma nova janela (Volume Attributes) onde será definido o
tipo de material.
TYPE Element type number � FLUID142
Fig. 17: Atribuindo tipo do elemento (fluido) ao volume central selecionado.
Usando os mesmos processos, selecionamos o volume externo que irá
representar a estrutura.
Fig. 18: Seleção do volume externo (estrutura) para criação da malha.
TYPE Element type number � SOLID187
Fig. 19: Atribuindo tipo do elemento (estrutura) ao volume externo selecionado.
Deve-se ressaltar que o número correspondente ao tipo de elemento pode
variar de acordo com a ordem que o usuário adicionou os elementos (passo 2).
Passo 6 – Definir o Tamanho da Malha
Nesta etapa, o tamanho da malha a ser usada na análise será determinado,
lembrando que, mais importante que escolher o tipo de elemento, é a escolha da
melhor malha para esse caso, visto que o tamanho da malha interfere, diretamente,
nos resultados obtidos. O tamanho da malha é inversamente proporcional à precisão
dos dados.
Para aplicar a malha deveremos selecionar as áreas correspondentes ao
elemento que vamos aplicá-la. Nesse exemplo, usaremos um tipo de malha para
cada elemento e se o usuário não optar para tal seleção os passos serão os
mesmos, mas aplicados em todos os elementos de uma única vez.
Definindo o tamanho da malha:
Preprocessor � Meshing � Size Cntrls � Manual Size � Áreas � All Áreas
Coloque o tamanho da malha a ser definida em: SIZE Element edge length.
Fig. 20: Janela para definir o tamanho da malha.
Para aplicar e desenhar a malha no elemento:
Preprocessor � Meshing � Mesh � Volumes � Free
Selecione o volume correspondente ao tamanho da malha que deseja aplicar,
caso seja um único tamanho de malha para os dois tipos de elementos, selecione-os.
Fig. 21: Selecionando o elemento externo (estrutura) para aplicar a malha.
No caso de ser um tipo de malha para cada tipo de elemento, repita o
processo anterior selecionando um novo tamanho da malha e aplicando no outro
elemento.
Fig. 22: Selecionando o elemento central (Fluido) para aplicar a malha.
Fig. 23: Elementos com as malhas aplicadas.
Devido ao uso de tamanhos diferentes de malhas, obtivemos uma melhor
análise do problema, uma vez que o fluido aceitou um tamanho reduzido em
comparação com a estrutura, o que é muito válido quando o usuário deseja obter
dados correspondentes ao fluido como pressão, velocidade e deslocamentos.
Passo 7 – Atribuir Propriedades ao Fluido.
Como dito anteriormente (passo 3), precisamos atribuir as propriedades do
fluido: densidade, viscosidade, condutividade e calor específico. Este processo
também pode ser acessado posteriormente na solução (SOLUTION), entretanto,
nosso exemplo segue dentro do pré-processamento.
Preprocessor � FLOTRAN Set Up � Fluid Properties
Utilizaremos para nosso problema apenas a densidade e a viscosidade.
Fig. 24: Janela para escolha das propriedades do fluido.
Após definir as propriedades, outra janela se abrirá para que o usuário consiga
os valores para densidade e viscosidade (propriedades não definidas anteriormente
aparecem com valores de -1).
Fig. 25: Janela para determinar os valores das propriedades do fluido.
Passo 8 – Definir a Interação Fluido-Estrutura (FSI)
Para modelar um problema com análise de interação entre fluido e estrutura
precisamos “mostrar” para o software que existe tal contato, além de construir um
modelo que se aproxime do real.
Nesse momento, iremos verificar como ativar o passo mais importante de
nossa modelagem, momento em que o conjunto estrutura-fluido irá interagir como
uma única geometria, fazendo com que as respostas obtidas estejam ligadas pela 3ª
Lei de Newton (ação e reação).
Inicialmente, o modelo está todo desenhado em coordenadas cartesianas e,
para prosseguir, o usuário deverá migrar para um sistema de coordenadas
cilíndricas, porque isso ajudará na seleção da área correspondente ao contato entre
o fluido e a estrutura.
Mudando o sistema de coordenadas:
WorkPlane � Change Active CS to � Global Cylindrical
Fig. 26: Mudando o sistema de coordenadas.
Estando definido o sistema de coordenadas, selecionaremos a área de
contato entre o fluido e a estrutura. Desenvolvemos esse contato quando
construímos as geometrias cilíndricas, estabelecendo entre elas uma medida em
comum (raio externo do cilindro sólido e o raio interno do cilindro oco).
Select � Entities � Áreas � By Location
O usuário deverá indicar as coordenadas (Min., Max.) correspondente ao
contato entre as geometrias.
Fig. 27: Definindo a coordenada para seleção de contato entre o fluido e a estrutura.
A área selecionada não aparecerá automaticamente, será preciso, então,
fazer com que ela seja visível.
Plot � Areas
Fig. 28: Área a ser aplicada a interação (FSI).
Como agora podemos visualizar a região de contato, pode-se aplicar o FSI em
toda essa área. Este processo de ativação de interação também pode ser feito na
solução (Solution) exatamente da mesma forma.
Preprocessor � Loads � Define Loads � Apply � Field Surface Intr � On Areas
Selecione a área totalmente e clique em OK. Na próxima janela, defina o
número da interação (nosso caso utilizará apenas uma interação).
Fig. 29: Definindo o número da interação fluido-estrutura.
Fig. 30: Área de contato com a interação (FSI) aplicada.
Para rever o modelo anterior é só seguir os passos abaixo:
Menu de utilidades � Select � Everything � Plot � O usuário define qual
geometria ele quer visualizar
Fig. 31: Visualização do FSI aplicado entre estrutura e fluido.
Concluímos assim, a parte inicial do processamento. O próximo passo será
estabelecer as condições iniciais e de contorno, tais como: restrições, forças,
velocidades, pressões, e também o intervalo de tempo para análise, assim como o
número de interações.
SOLUÇÃO (SOLUTION)
Nesta fase, conheceremos os comandos para definir restrições, condições,
propriedades específicas, além de configurar o número de interações, aplicar forças,
pressões e velocidades. De uma forma geral, serão apresentados os comandos
oferecidos e para qual finalidade aplicar os mesmos nos parâmetros definidos por
cada usuário.
Os comandos estão relacionados a estudos referentes à análise de modelos
de estrutura e fluido, descartando, dessa forma, outras opções como eletricidade,
temperatura e acústica. Nesta parte do trabalho o usuário poderá utilizar as
seguintes opções para análise:
1. Analysis Type;
2. Define Loads;
3. FLOTRAN Set Up;
4. Solve;
5. Run FLOTAN.
Assim, poderemos definir alguns parâmetros do modelo.
1. ANALYSIS TYPE
O usuário encontrará, primeiramente, três opções para análise do problema:
• New Analysis (esta não será oferecida para análise de interação entre fluido e
estrutura);
• Sol´n Controls (Solution Controls);
• Analysis Options.
SOL´N CONTROLS (SOLUTION CONTROLS)
Oferece ao usuário ferramentas para o incremento do número de interações e
tempo, inclusive, define resultados para grandes deformações e rotações sobre a
estrutura.
ANSYS Main Menu � Solution � Analysis Type � Sol´n Controls � Basic
Fig. 32: Janela do Solution Controls
ANALYSIS OPTIONS
O usuário define se a estrutura do modelo apresentado poderá ter grandes
deformações estando fixo ou estático.
ANSYS Main Menu � Solution � Analysis Type � Analysis Options � Static or
Steady-State Analysis � NLGEOM (ON)
Fig. 33: Janela do Analysis Options
2. DEFINE LOADS
Esta etapa do processo mostrará as opções para aplicação de forças na
estrutura, momentos, pressões presentes no fluido e na estrutura, restrições,
velocidade do fluido e deformações. As opções neste item são:
• Settings (não será usado em nossos estudos);
• Apply;
• Delete;
• Operate.
ANSYS Main Menu � Solution � Define Loads
APPLY
Encontra-se as opções para aplicar forças, momentos, pressões no fluido e na
estrutura, restrições, velocidade do fluido e deformações. Estão disponíveis:
• Structural (aplicações em estruturas);
• Thermal (aplicações térmicas);
• Fluid/CFD (aplicações em fluidos);
• Field Surface Intr (interação entre superfícies);
• Field Volume Intr (interface de volumes);
• Initial Condit´n (define condições iniciais);
• Load Vector (cria um vetor de interação);
• Functions (aplica condições de limite para o modelo).
Obs.: Serão usadas as opções para estrutura e para o fluido em nosso modelo.
ANSYS Main Menu � Solution � Define Loads � Apply
Fig. 34: Janela ANSYS para Define Loads – Apply
STRUCTURAL
O usuário encontrará opções referentes à estrutura, podendo determinar graus
de liberdades e direções para os valores específicos da pressão (Pressure) e
temperatura (Temperature), forças e momentos (Force/Moment) e ainda
deslocamentos (Displacement).
Para cada recurso, encontramos opções de aplicações desses valores em nós
específicos, áreas do elemento (útil para interação entre fluido e estrutura), linhas,
keypoints, elementos (presente para aplicação de pressão e temperatura).
ANSYS Main Menu � Solution � Define Loads � Apply � Structural
Fig. 35: Janela que define as aplicações na estrutura
FLUID/CFD
Permite localizar opções referentes ao fluido e pode determinar os valores
específicos da pressão (Pressure DOF), forças (Force), deslocamentos
(Displacement), velocidade do fluido (Velocity) e turbulência (Turbulence).
Para cada recurso encontramos opções de aplicações desses valores em nós
específicos, áreas do elemento (útil para interação entre fluido e estrutura) e linhas.
ANSYS Main Menu � Solution � Define Loads � Apply � Fluid/CFD
Fig. 36: Janela que define as aplicações no fluido
DELETE
Podem-se escolher todos os comandos antes oferecidos e aplicar algumas
definições para se obter um melhor estudo, já que, nesta parte, o usuário terá a
possibilidade de, a qualquer momento, apagar essas aplicações usando esse
comando.
ANSYS Main Menu � Solution � Define Loads �Delete
OPERATE
Estabelece condições de limites para diversas aplicações, porém não foram
encontradas aplicações para os estudos de interação entre fluido e estrutura.
ANSYS Main Menu � Solution � Define Loads �Operate
3. FLOTRAN SET UP
Disponibiliza ferramentas para definições de propriedades específicas do
fluido usado no modelo criado. As opções oferecidas neste passo são:
• Solution Options;
• Algorithm Ctrl (esta opção não será trabalhada);
• Execution Ctrl;
• Additional Out;
• Fluid Properties;
• Table Props (esta opção não será trabalhada);
• Flow Environment;
• VOF Environment (esta opção não será trabalhada);
• Relax/Stab/Cap (esta opção não será trabalhada);
• CFD Solver Controls (esta opção não será trabalhada);
• Turbolence (esta opção não será trabalhada);
• Mod Res/Quad Ord;
• Restart Options (esta opção não será trabalhada);
• Flocheck (esta opção não será trabalhada);
• Advection (esta opção não será trabalhada);
• Transient Ctrl;
• Remesh Ctrl (esta opção não será trabalhada).
ANSYS Main Menu � Solution � FLOTRAN Set Up
Fig. 37: Janela para visualização das opções do FLOTRAN Set Up
SOLUTION OPTIONS
Encontram-se alternativas para solução do problema referente às
características do fluido, onde poderemos escolher o estado transiente do fluido
(TRAN), laminar ou turbulento (TURB), formulação Lagrangiana-Euleriana arbitrária
(ALE), opção para solução de equação do fluxo (FLOW), análise térmica para corpos
adiabáticos (TEMP), característica para um fluido compressível ou incompressível
(COMP). Todos os comandos são acionados com a seleção do quadro e
confirmação.
ANSYS Main Menu � Solution � FLOTRAN Set Up � Solution Options
Fig. 38: Janela para aplicações das características do fluido (FLOTRAN Solution
Options)
EXECUTION CRTL
Escolhe-se dados para o controle de análise compressível. Ao selecionar esta
opção, o usuário deverá optar entre uma análise que será definida por ele mesmo
(user defined), por advecção (advection), implemento de passos ( time steps, time
values) ou mesmo escolher a ativação de ambos (both).
Fig. 39: Janela de entrada para Execution Ctrl
Em seguida, abrirá uma janela para o usuário inserir os valores referentes ao
limites de convergência para o problema transiente. Entre os valores encontrados
estão: velocidade do fluido nas direções cartesianas (VX, VY, VZ), passo inicial para
incremento (ISTEP), número de interações (NUMB), tempo final para as interações
(TEND), número de repetições globais de cada passo (GLOB), valor máximo para
pressão (PRESS), temperatura (TEMP), energia cinética turbulenta (ENKE) e
dissipação da turbulência (ENDS).
Fig. 40: Janela de comandos para convergência do modelo
ANSYS Main Menu � Solution � FLOTRAN Set Up � Execution Ctrl
ADDITIONAL CTRL
Exibição de saídas adicionais para que o algoritmo armazene dados
específicos referentes às propriedades do fluido para conferência e convergência.
Umas das opções adicionais nesta janela são os dados para tensão de cisalhamento
da parede (TAUW).
ANSYS Main Menu � Solution � FLOTRAN Set Up � Additional Out � RFL Out
Derived
Fig. 41: Janela do RFL Output Derived
FLUID PROPERTIES
Esta opção já foi trabalhada anteriormente (veja passo 7 no pré-
processamento) e sua aplicação segue as mesmas instruções do passo já visto.
ANSYS Main Menu � Solution � FLOTRAN Set Up � Fluid Properties
FLOW ENVIRONMENT
Permite a escolha de dados referentes aos parâmetros ligados ao fluido. Estes
dados podem ser: condições de referência (REF CONDITIONS), coordenadas
giratórias (ROTATING COORDS), definição de velocidade angular e localização da
aceleração no sistema de coordenadas, aceleração gravitacional (GRAVITY), de
forma que, este último, pode determinar em qual direção o modelo sofre influência
gravitacional.
ANSYS Main Menu � Solution � FLOTRAN Set Up � Flow Environment
ANSYS Main Menu � Solution � FLOTRAN Set Up � Rotating Coords
ANSYS Main Menu � Solution � FLOTRAN Set Up � Gravity
Fig. 42: Janela de Reference Conditions
MOD RES/QUAD ORD
Estão disponíveis as opções referentes aos números de pontos de integração
(CFD QUAD ORDERS) e ainda o usuário poderá alterar qualquer valor de alguma
variável já atribuída para o modelo desenvolvido (MODIFY RESULTS).
ANSYS Main Menu � Solution � FLOTRAN Set Up � Mod Res/Quad Ord �
Modify Results
Fig. 43: Janela para modificar variáveis do modelo
ANSYS Main Menu � Solution � FLOTRAN Set Up � Mod Res/Quad Ord �
CFD Quad Orders
Fig. 44: Janela para atribuir a ordem de Quadratura
TRANSIENT CTRL
Seleciona o valor do passo para integração do problema e só pode ser usado
para fluidos compressíveis. Na primeira janela deve-se marcar a opção Newmark, de
modo que depois se defina o valor do tamanho do passo de integração.
ANSYS Main Menu � Solution � FLOTRAN Set Up � Transient Ctrl � Time
Integration Meth
Fig. 45: Definindo o método de integração
� Newmark
Fig. 46: Definindo o tamanho do passo de integração
4. SOLVE
Inicia-se a solução do modelo criado, realizando e aplicando todas as
definições feitas pelo usuário.
ANSYS Main Menu � Solution � FLOTRAN Set Up � Solve
Fig. 47: Resolvendo o modelo atual
5. RUN FLOTRAN
Resolve o problema relacionado ao fluido, resolvendo a interação fluido-
estrutura, finalmente.
ANSYS Main Menu � Solution � FLOTRAN Set Up � Run FLOTRAN
Fig. 48: Interação fluido-estrutura resolvida no modelo
O tempo de processamento da solução varia de acordo com o número de
interações, condições, características do estudo e elementos que foram propostos
para o modelo desenvolvido, além disso, o equipamento usado para análise
interferirá diretamente no tempo gasto.
PÓS-PROCESSAMENTO (POSTPROCESS)
Aqui, o usuário encontrará opções para análise e visualização dos resultados
processados no passo anterior (SOLUTION). Este passo oferece duas opções de
visualização: a primeira através da visualização das deformações e deslocamentos
do modelo (GENERAL POSTPROC), e a segunda é feita através de análises
gráficas do resultado (TIMEHIST POSTPRO).
GENERAL POSTPROC
Neste primeiro processo de análise, é necessário que o usuário tenha o
arquivo com a solução do problema gerado durante a solução (SOLUTION), este
arquivo encontra-se na pasta escolhida inicialmente para salvar as alterações do
estudo (Ambiente do ANSYS/Change Directory).
ANSYS Main Menu � General PostProc � Data & File Opts
Fig. 49: Janela para seleção do arquivo para análise
Uma janela se abrirá (DATA AND FILE OPTIONS) com opções para filtrar os
dados de análise, o usuário deve selecionar “All Itens”, garantindo, assim, que todas
as opções sejam oferecidas. Nesta mesma janela devemos procurar e selecionar o
arquivo gerado pela solução do programa (clique no quadrado à direita da lacuna em
branco para navegar em seu computador e buscar o arquivo que é salvo na pasta
selecionada em Change Directory).
Fig. 50: Opções de análise dos resultados
Depois de encontrado o diretório dos arquivos, o usuário encontrará dois
arquivos de resultados, um para resultados referentes à estrutura (*.rst), e outro
referente aos resultados do fluido (*.rfl).
Fig. 51: Janela de escolha do arquivo para análise
Fig. 52: Janela de confirmação da seleção do arquivo
Após selecionar o arquivo para análise, as opções PLOTS RESULTS (fluido e
estrutura), LIST RESULTS (fluido e estrutura) e FAILURE CRITERIA (estrutura),
devem ser acionadas automaticamente, caso isso não aconteça o usuário pode fazer
com que essas opções sejam oferecidas.
ANSYS Main Menu � General PostProc � Read Results � First Set
Fig. 53: Janela para ativação da opção Plot Results
PLOT RESULTS
Depois de carregado o arquivo para análise pode-se começar efetivamente a
análise dos resultados. Veremos três opções de análise neste passo:
1. Deformed Shape (Opções para visualização do modelo deformado);
2. Contour Plot (Visualiza o modelo caracterizando suas deformações);
3. Vector Plot (Visualiza a ação vetorial no modelo).
ANSYS Main Menu � General PostProc � Plot Results
Utility Menu � Plot � Results
Fig. 54: Opções da ferramenta PLOT RESULTS
1. DEFORMED SHAPE
Será encontrada a opção de visualização do modelo deformado ou não para
análise.
ANSYS Main Menu � General PostProc � Plot Results � Deformed Shape
Utility Menu � Plot � Results � Deformed Shape
Ao clicar nesta opção uma janela (PLOT DEFORMED SHAPE) será ativada
com as opções:
• Def shape only (escolhida esta opção o usuário visualizará apenas o modelo
com o deslocamento sofrido);
Fig. 55: Janela de seleção para visualização do modelo com o deslocamento
Fig. 56: Modelo com o deslocamento
• Def + Undeformed (escolhida esta opção o usuário visualizará o modelo com o
deslocamento e o modelo antes do deslocamento);
Fig. 57: Janela de seleção para visualização do modelo com e sem deslocamento
Fig. 58: Modelo com deslocamento e sua estrutura sem o deslocamento
• Def + Undef edge (escolhida esta opção o usuário visualizará o modelo com o
deslocamento e os contornos dos elementos sem o deslocamento).
Fig. 59: Janela de seleção para visualização do modelo com o deslocamento e
contornos da estrutura sem deslocamento
Fig. 60: Modelo após seleção
Estas opções também estarão disponíveis nos passos de plotagens.
2. CONTOUR PLOT
Pode-se visualizar a solução do problema através da versão mais detalhada,
mostrando divisões dos limites de deslocamentos e deformações causadas no
modelo criado. Junto com as divisões também é criada uma escala de valores.
Observaremos duas opções neste passo:
• Nodal Solu (exibe análise por contornos de nós);
• Element Solu (exibe análise por contornos de elementos).
Para cada tipo de arquivo selecionado na etapa inicial da análise (DATA &
FILE OPTS), o usuário encontrará diferentes opções de respostas, sendo estas
discriminadas por características específicas do elemento analisado (fluido ou
estrutura).
ANSYS Main Menu � General PostProc � Plot Results � Contour Plot � Nodal
Solu
Utility Menu � Plot � Results � Contour Plot � Nodal Solution
NODAL SOLU
Depois de escolher esta ferramenta, uma janela aparecerá para que sejam
selecionadas as opções de análise (CONTOUR NODAL SOLUTION DATA) - onde
se encontram as pastas de favoritos (FAVORITES) e estão às opções mais usadas
pelo usuário - e de solução nodal (NODAL SOLUTION) - que estão às opções para
análise do problema.
Fig. 61: Janela para seleção das variáveis de análise
A seguir, o usuário encontrará as opções de análise do modelo construído.
Vale lembrar que as opções fornecidas são caracterizadas de acordo com o arquivo
de respostas escolhido (*.rfl ou *rst), e que, para atualizar estas opções o usuário
deverá acionar o comando READY RESULTS/FIRST SET.
As opções de análise para o arquivo referente à estrutura serão:
• DOF Solution (soluções de deslocamentos nos três eixos de coordenadas e
soma vetorial);
• Stress (tensões de cisalhamento nos eixos de coordenadas, principais
tensões, critério de Von Mises, intensidade, pressão hidrostática, tensão
plástica equivalente);
• Total Mechanical Strain (tensão mecânica total para cisalhamento nos
componentes de coordenadas, Von Mises);
• Elastic Strain (tensões elásticas nas coordenadas, cisalhamento, Von Mises,
intensidade da tensão elástica);
• Plastic Strain (tensões plásticas nas coordenadas, cisalhamento, Von Mises,
intensidade da tensão plástica);
• Creep Strain (tensão de arrasto nas coordenadas, cisalhamento, Von Mises,
intensidade da tensão de arrasto);
• Thermal Strain (tensões térmicas);
• Total Mechanical and Thermal Strain (tensões térmicas totais e mecânicas);
• Swelling Strain;
• Energy (respostas relacionadas à energia do modelo);
• Failure Criteria (critério de falhas);
• Thermal Gradient (gradientes de temperaturas);
• Thermal Flux (fluxo térmico);
• Body Temperatures (temperturas).
Fig. 62: Opções de análise para o arquivo referente à estrutura (*.rst)
Selecionada a opção desejada, a plotagem será acionada automaticamente.
ANSYS Main Menu � General PostProc � Plot Results � Contour Plot � Nodal
Solu � opção escolhida pelo usuário � OK
Fig. 63: Resposta do deslocamento no eixo Y
As opções de análise para o arquivo referente ao fluido serão:
• DOF Solution (componentes de deslocamento nas coordenadas cartesianas,
soma vetorial de deslocamento, pressão, velocidade do fluido, energia cinética
de turbulência e dissipação);
• Other FLOTRAN Quantities (temperatura total, fluxo de calor, coeficiente de
pressão, número de Mach, densidade do fluido, coeficiente laminar do fluido,
tensão superficial).
Fig. 64: Opções de análise para o arquivo referente ao fluido (*.rfl)
ANSYS Main Menu � General PostProc � Plot Results � Contour Plot � Nodal
Solu � opção escolhida pelo usuário � OK
Fig. 65: Resposta da soma vetorial do deslocamento
ELEMENT SOLU
Depois de selecionar esta ferramenta, assim como na vez anterior, uma janela
aparecerá para que sejam escolhidas as opções de análise (CONTOUR ELEMENT
SOLUTION DATA), lá estarão às pastas de favoritos (FAVORITES), que, por sua
vez, reúnem as opções e soluções do problema mais usadas pelo usuário
(ELEMENT SOLUTION).
Fig. 66: Janela inicial da solução utilizando contornos de elementos
Ao selecionar a pasta de solução por elementos (ELEMENT SOLUTION), o
usuário encontrará as opções de análise do modelo construído. Cabe ressaltar que
as opções fornecidas são caracterizadas de acordo com o arquivo de respostas
escolhido (*.rfl ou *rst), conseqüentemente, para atualizar estas opções o usuário
deverá acionar o comando READY RESULTS/FIRST SET.
As opções para análise do arquivo referente à estrutura são:
• Stress (tensões de cisalhamento, nos eixos de coordenadas, principais
tensões, critério de Von Mises, intensidade, pressão hidrostática, tensão
plástica equivalente);
• Total Mechanical Strain (tensão mecânica total para cisalhamento, nos
componentes de coordenadas, Von Mises);
• Elastic Strain (tensões elásticas nas coordenadas, cisalhamento, Von Mises,
intensidade da tensão elástica);
• Plastic Strain (tensões plásticas nas coordenadas, cisalhamento, Von Mises,
intensidade da tensão plástica);
• Creep Strain (tensão de arrasto nas coordenadas, cisalhamento, Von Mises,
intensidade da tensão de arrasto);
• Thermal Strain (tensões térmicas);
• Total Mechanical and Thermal Strain (tensões térmicas totais e mecânicas);
• Swelling Strain;
• Energy (respostas relacionadas à energia do modelo);
• Error Estimation (respostas da estimação de erro para energia da estrutura,
variação da máxima tensão, energia térmica, variação da energia térmica);
• Failure Criteria (critério de falhas);
• Maximum Failure Criterion;
• Thermal Gradient (gradientes de temperaturas);
• Thermal Flux (fluxo térmico);
• Structural Forces (componentes de forças nas coordenadas cartesianas);
• Structural Moments (respostas referentes ao momento estrutural);
• Heat Flow (fluxo de calor);
• Body Temperatures (temperturas).
Fig. 67: Opções para análise para o arquivo referente à estrutura (*.rst)
Selecionada a opção desejada será acionada a plotagem automaticamente.
ANSYS Main Menu � General PostProc � Plot Results � Contour Plot �
Element Solu � opção escolhida pelo usuário � OK
Utility Menu � Plot � Results � Contour Plot � Element Solution � opção
escolhida pelo usuário � OK
Fig. 68: Resposta da tensão de cisalhamento entre XY
Fig. 69: Tensão elástica para o eixo Y
As opções para análise do arquivo referente ao fluido são:
• Fluid Forces (forças aplicadas pelo fluido nas direções cartesianas);
• Magnetic Current Segment (respostas com análise magnética).
Fig. 70: Opções para análise do arquivo referente ao fluido (*.rfl)
ANSYS Main Menu � General PostProc � Plot Results � Contour Plot �
Element Solu � opção escolhida pelo usuário � OK
Utility Menu � Plot � Results � Contour Plot � Element Solution � opção
escolhida pelo usuário � OK
3. VECTOR PLOT
Exibe os resultados através de vetores, indicando a direção dos
deslocamentos causados no modelo construído.
ANSYS Main Menu � General PostProc � Plot Results � Vector Plot �
Predefined
Utility Menu � Plot � Results � Vector Plot
Os passos para análise usando esta ferramenta são semelhantes às
anteriores, porque teremos que carregar o arquivo de resposta (*.rfl ou *.rst) e, logo
depois, de selecionada esta ferramenta, uma janela (VECTOR PLOT OF
PREDEFINED VECTORS) se abrirá para definição das opções de visualização.
Fig. 71: Janela de opções para configuração do VECTOR PLOT
As opções para visualização são:
• Vector item to be plotted (define o item de resposta de visualização: tensão,
deslocamento, rotação, translação, fluxo, velocidade de fluido, energia,);
• Vector or raster display (define se o modelo terá ou não preenchimento);
• Vector location for results (define o local que o vetor está representado);
• Elements edges (visualiza ou não os elementos do modelo);
• Window Number (mostra a quantidade de janelas);
• Scale factor multiple (define o tamanho do vetor);
• Vector scaling will be (define se os vetores serão todos de mesmo tamanho ou
em escala de valor);
• Vector plot base on (visualiza o modelo com ou sem a deformação).
Fig. 72: Resposta de translação do modelo com deformação
Fig. 73: Resposta de translação do modelo com deformação e preenchimento
Fig. 74: Resposta de translação do modelo com visualização dos elementos e sem
deformação
4. LIST RESULTS
Oferece uma listagem dos resultados do modelo construído. As opções
disponíveis são as mesmas oferecidas nas ferramentas de plotagem.
ANSYS Main Menu � General PostProc � List Results
Utility Menu � List � Results
Fig. 75: Lista dos resultados referente à tensão de cisalhamento XY
Fig. 76: Lista de resultados das tensões na coordenada Y
5. ANIMATE
É possível ter a visualização do problema através de animações. Estes vídeos
animados são salvos na pasta de diretório, sendo esta escolhida, inicialmente,
no decorrer do processo.
Utility Menu � Plot Ctrls � Animate
Fig. 77: Opções para demonstração através de animação
Depois de selecionar a opção de análise, uma janela de configuração se abrirá
com opções de detalhamento do vídeo:
• Número de frames (quantidade de quadros que será dividido a animação);
• Time delay (tempo de atraso para apresentação de cada quadro);
• Item de análise (define a característica de análise).
Fig. 78: Janela de configuração da animação e seleção da variável
Feita a seleção de um item da análise e confirmar, a animação começará
automaticamente. Durante a animação uma janela de controle será mostrada no
canto superior direito da imagem, disponibilizando ao usuário a mudança da
velocidade e do efeito da animação:
• Delay (regula a velocidade de atraso das imagens);
• Forward/Backward (define que a animação mostre o deslocamento crescente
e decrescente do modelo);
• Forward Only (define que a animação mostre apenas o deslocamento
crescente);
• Start (inicia uma animação se estiver pausada);
• Stop (pausa uma animação);
• Next (se a animação estiver pausada, avança um frame);
• Previous (se a animação estiver pausada, volta um frame);
• Close (fecha a janela de animação);
• Help (abre a janela Help do programa ANSYS).
Fig. 79: Janela de controle da animação
TIMEHIST POSTPRO
Este é o último recurso para análise dos resultados do modelo desenvolvidos
neste trabalho e nele encontraremos opções para a visualização por meio de
gráficos.
ANSYS Main Menu � TimeHist PostPro
Ao selecionar esta opção, de imediato, uma janela se abrirá e é necessário
selecionar um dos arquivos disponíveis para análise. Para cada tipo de arquivo, um
tipo de resposta será encontrado.
Fig. 80: Janela para escolha do arquivo para análise gráfica
Assim como a anterior, a segunda janela também se abrirá automaticamente,
e, nesta, encontram-se as opções para configurações da visualização do gráfico. As
opções fornecidas são:
Fig. 81: Barra de opções
1. Add Data (adiciona a variável para análise);
2. Delete Data (apaga uma variável escolhida para análise);
3. Graph Data (desenha o gráfico correspondente a variável selecionada);
4. List Data (mostra uma lista com os valores de resposta);
5. Data Properties (modifica opções dos gráficos);
6. Import Data (importa um arquivo de resposta);
7. Export Data (salva um arquivo de resposta);
8. Clear Time-History Data (apaga todas as variáveis escolhidas para análise);
9. Refresh Time-History Data (F5) (Atualiza a lista de variáveis escolhidas).
Fig. 82: Janela para iniciar a análise gráfica
Em seguida, devemos adicionar as variáveis de respostas clicando em ADD
DATA.
Time History Variables � Add Data
Fig. 83: Janela para adicionar a variável de análise
Após isso, seleciona-se um elemento do modelo proposto para análise.
Time History Variables � Add Time-History Variable � opção selecionada pelo
usuário � Multiple_Entities � OK � Node for Data � OK
Fig. 84: Janela para seleção do elemento para análise
Uma opção com nome diferente aparecerá na janela, se a seleção for válida.
Fig. 85: Janela com uma variável adicionada para análise
Caso a análise seja feita com diversas variáveis, repita o processo para
adicionar uma variável, assim, às novas opções aparecerão abaixo da anterior,
formando uma lista.
Fig. 86: Janela com mais de uma variável para análise
Para que o gráfico seja construído, deve-se selecionar a variável desejada e,
então, clicar no botão GRAPH DATA.
Time History Variables � Graph Data
Fig. 87: Variável com nome UY_4 selecionada para resposta
Fig. 88: Resposta da variável UY_4
Fig. 89: Variável com nome SXY_5 selecionada para resposta
Fig. 90: Resposta da variável SXY_5
Terminada a visualização destes resultados, o usuário poderá iniciar outra
análise com um arquivo diferente clicando em:
Time History Variables � File � Open Results
Fig. 91: Selecionando um arquivo diferente para análise