O que você precisa saber sobre softwares CAE

Faça simulações estáticas, dinâmicas, térmicas, de fluidos e muito mais com estes poderosos softwares de engenharia

Se você é um estudante de engenharia ou um engenheiro já formado, ouviu (ou ouvirá) em algum momento falar sobre a realização de simulações computacionais para auxiliar na validação de projetos de engenharia, dos mais diversos tipos.

Muito comum na área da mecânica (mas também aplicado a outras engenharias como civil, produção, química, etc), os softwares CAE (Computer Aided Engineering – Engenharia Assistida por Computador) tiveram seus primeiros desenvolvimentos na década de 50, através de um grupo de pesquisadores da Boeing (em conjunto com professor Ray Clough, da Universidade de Berkeley) que utilizaram a abordagem do Método dos Elementos Finitos (MEF) para desenvolver um programa que pudesse auxiliar no cálculo de estruturas de aeronaves (tornando a aplicação do método mais prática).

No início, os softwares desenvolvidos eram para aplicações específicas, sendo cada vez mais necessário uma ferramenta que permitisse uma popularização desta tecnologia. Com este pensamento, empresas foram surgindo para atender esta demanda e hoje, existem algumas soluções de simulação computacional para as mais variadas aplicações, como estrutural, térmica, fluido, eletromagnetismo e muito mais. Estas tecnologias, já são largamente utilizadas em diversas indústrias e estão ajudando muito os engenheiros na análise de seus projetos!

Mas o que realmente eu preciso saber sobre esses softwares? Como eles podem me ajudar nos projetos que desenvolvo?

À medida que as empresas lutam para diferenciar competitivamente seus produtos, bem como superar seus concorrentes no mercado, decisões rápidas dentro da engenharia tornam-se cada vez mais críticas para o sucesso do produto. Essas decisões podem ter um impacto profundo em três fatores importantes para um produto: velocidade de desenvolvimento, custo e qualidade.

Muitos recorreram à simulação para ajudar os projetistas a tomar decisões eficazes. No entanto, o aumento da complexidade do produto deixa as empresas lutando para prever com precisão o comportamento de seus produtos antes do teste físico. Os cálculos manuais já não conseguem acompanhar as necessidades dos designers e a prototipagem é cara e demorada.

Como resultado, as empresas estão cada vez mais recorrendo a softwares de simulação para utilização do seu time de engenharia, com a visão para desenvolver e otimizar os produtos em desenvolvimento.

Em geral, existem três métodos que os projetistas e engenheiros usam para prever o desempenho do produto:

1. Construindo um protótipo físico

2. Realizando cálculos de física à mão

3. Utilizando simulação virtual através de software (FEA, CFD, etc.)

Prototipagem Física

Um protótipo é um modelo inicial de um produto construído para testar certas restrições ou parâmetros. Os protótipos são normalmente caros de serem construídos e consomem tempo. Considerando que várias iterações de protótipos podem ser necessárias para obter os resultados que você está procurando, é fácil ver como o desperdício geral pode se somar. Existe também a restrição física: você precisa ter o protótipo real construído para começar o teste, adicionando mais tempo ao ciclo de desenvolvimento.

Além disso, existem vários testes físicos que podem ser realizados em um protótipo (acústica/vibração, fadiga, estresse, fluxo de fluido, etc), sendo que todos exigem quantidades diferentes de tempo para serem concluídos. O teste de fadiga, por exemplo, pode ser altamente demorado, dependendo do material e do tipo de carregamento usado. Quando as empresas são limitadas em sua quantidade de recursos de projetos, o tempo adicional gasto na criação e no teste de protótipos pode atrasar seriamente as datas de lançamento do produto.

Outro ponto importante é que a maioria dos ambientes em que os produtos operam é difícil de incluir em um teste físico. Isso resulta em maior risco com a prototipagem, já que a experiência e o julgamento dos projetistas são confiados de maneira qualitativa, em vez de serem capazes de avaliar quantitativamente. Como resultado, a prototipagem física geralmente é a fase do ciclo de vida de um produto com mais ineficiências.

Cálculos à mão

Realizar cálculos de tensões manualmente tem sido praticado há séculos e a maioria dos engenheiros está acostumada com essa abordagem (especialmente os engenheiros mais experientes que precisavam confiar em métodos manuais antes que o software de simulação estivesse disponível). Aqueles que continuam a utilizar cálculos manuais estão confortáveis com o que sabem e acham que são tão confiáveis e precisos quanto as ferramentas de simulação; no entanto, esse não é o caso.

A realidade é que os cálculos manuais são simples fórmulas mecânicas que exigem suposições amplas e simplificações de múltiplos fatores (geometria, tolerâncias, carregamento, etc). De fato, os dados mostram (exceto para as geometrias mais simples) que os cálculos manuais são, em grande parte, estimativas aproximadas de áreas predeterminadas de preocupação/dúvida no projeto.

Frequentemente, são apenas aproximações dos níveis máximos reais de tensões. No entanto, às vezes eles estão apenas dentro da faixa dos níveis médios de tensões e não conseguem calcular totalmente as tensões mais altas. Além disso, se os cálculos previrem falhas, não haverá ideias sobre onde esta irá ocorrerá (que é uma informação vital para melhorar e otimizar o projeto). Além disso, o armazenamento e o gerenciamento dos cálculos manuais também podem ser um problema, já que a maioria dos cálculos é realizado por meio de planilhas internas.

Assim, colaborar e compartilhar essas planilhas com outros projetistas e engenheiros, dentro da empresa pode ser um desafio. Isso introduz mais riscos no negócio se um funcionário sair ou estiver trabalhando em uma versão desatualizada. Os processos de nova verificação podem ser longos e os projetistas não têm tempo de sobra.

Planilhas ou cálculos manuais podem trabalhar no mais básico dos produtos (aqueles onde há pouca chance de consequências não intencionais). Além disso, se houver um fator significativo de segurança, os cálculos manuais podem ser adequados. Mas, à medida que os mandatos de conformidade e segurança de produtos continuam a aumentar, a quantidade de produtos para os quais os cálculos manuais podem ser usados só diminuirá. Em setores com alta tecnologia, fabricantes de equipamentos industriais, a crescente complexidade de seus produtos torna irrealista uma abordagem manual para continuar a ser eficaz.

Softwares de Simulação

Isso nos deixa com a terceira e última abordagem para prever o comportamento de um produto e esse é o método que as empresas já confiam bastante.

Simulação virtual é a análise ou simulação do comportamento de um produto/equipamento em um ambiente virtual, criando um protótipo virtual do projeto em desenvolvimento. O uso crescente desta tecnologia se justifica pela maior quantidade opções de softwares de simulação (e a confiabilidade que seus resultados apresentam).

No início, apenas especialistas em grandes empresas, principalmente nas indústrias aeroespacial e automobilística, usavam ferramentas de simulação devido à complexidade e ao custo das ferramentas. Em seguida, os engenheiros projetistas só tinham a opção de conduzir análises lineares de tensão estática básica. Mas, nos últimos anos, ferramentas de simulação evoluíram drasticamente em sua facilidade de uso, intuição e variedade das suas capacidades (incluindo condições como análises não-linear estática, dinâmica (vibração), fluxo de fluidos, transferência de calor, entre outras).

Ao usar o software, as empresas podem desenvolver protótipos virtuais ​​para prever o desempenho de todo o sistema antes de construir seus protótipos físicos. A simulação virtual oferece a capacidade única de analisar o sistema como um todo e identificar problemas que podem não ter sido previstos. O tempo necessário para levar o produto ao mercado é reduzido substancialmente porque os protótipos virtuais podem ser produzidos e testados muito mais rapidamente (quando comparado aos protótipos físicos).

Os projetistas e engenheiros também podem explorar rapidamente o desempenho de várias alternativas de projeto sem investir tempo e dinheiro necessários para construir protótipos físicos ou realizar vários cálculos manuais. Essa capacidade de analisar várias alternativas em um ritmo acelerado permite uma prática importante: otimizar o projeto.

Em resumo...

É óbvio que os projetistas e engenheiros de projeto percebem quão poderosa é a simulação virtual de uma ferramenta em seus esforços para melhorar as práticas de projetos.

Alguns ainda não acreditam nessas tecnologias e ferramentas, mas isso tende a mudar a partir do momento que há um maior conhecimento e difusão destas tecnologias. A capacitação e uso de melhores práticas para realização da simulação e análise dos seus resultados são itens importantes que devem ser observados.

Treinamento inadequado, estrutura de uma empresa deficiente ou falta de acesso centralizado aos resultados da simulação são todos obstáculos que devem ser verificados ao se voltar para a simulação virtual.

No entanto, esses desafios não são necessariamente uma reflexão sobre a eficácia das ferramentas de simulação, e sim sobre os treinamentos e capacitações que as equipes devem realizar, para usar o máximo potencial dos softwares CAE.

Recorrer à simulação virtual é parte integrante de empresas que buscam se renovar e agregar valor aos seus processos e projetos de desenvolvimento.

E quanto de impacto estas ferramentas CAE e de análise tem? Quais são seus benefícios para as estratégias da empresa?

É o que vamos abordar em nosso próximo post!

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