INTRODUÇÃO À ENGENHARIA

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1 INTRODUÇÃO À ENGENHARIA 1º SEMESTRE 2013 UNIDADE 04 Prof. Dr. Fernando Ciriaco Dias Neto - Engenharias - 1º Sem. / Pág. 185

2 Unidade IV Simulação Conteúdo da Unidade: O que é a simulação Tipos de simulação O computador na Engenharia Simulação computacional Bibliografia da Unidade: BAZZO, W.A., Introdução à Engenharia, 6ª ed., Santa Catarina: Editora da UFSC, Capítulo 6. COCIAN, L. F. E., Engenharia Uma Breve Introdução, Cap Prof. Dr. Fernando Ciriaco Dias Neto - Engenharias - 1º Sem. / Pág. 186

3 Unidade IV Simulação O que é a simulação? Simulação é uma atividade subsequente ao processo de modelagem. Simular é submeter modelos a ensaios, sob diversas condições, para observar como eles se comportam. A simulação agiliza o processo de solução de problema. Prof. Dr. Fernando Ciriaco Dias Neto - Engenharias - 1º Sem. / Pág. 187

4 Unidade IV Simulação A simulação é uma técnica utilizada pelos engenheiros para estudar o comportamento e reações de um determinado sistema por meio de modelos, que imitam na totalidade ou em parte as propriedades e comportamentos deste sistema em uma escala menor, permitindo assim sua manipulação e estudo detalhado. Prof. Dr. Fernando Ciriaco Dias Neto - Engenharias - 1º Sem. / Pág. 188

5 A simulação também pode ser feita a partir de modelos matemáticos. Unidade IV Simulação Nesta forma de simulação, as características essenciais dos elementos idealizados no sistema são descritos por meios de símbolos matemáticos. Prof. Dr. Fernando Ciriaco Dias Neto - Engenharias - 1º Sem. / Pág. 189

6 O que é simular Simular é submeter modelos a ensaios, sob diversas condições, para observar como eles se comportam. A simulação pode envolver protótipos (primeiros exemplares de um produto construído para testes) Prof. Dr. Fernando Ciriaco Dias Neto - Engenharias - 1º Sem. / Pág. 190

7 Um bom exemplo de simulação é aquele usado na indústria aeronáutica, onde a aerodinâmica dos aviões em projeto é testada em túneis de vento por meio de pequenas maquetes que apresentam o mesmo formato do avião, ou seja, é o "modelo" do avião real. Unidade IV Simulação Prof. Dr. Fernando Ciriaco Dias Neto - Engenharias - 1º Sem. / Pág. 191

8 Unidade IV Simulação Esta técnica é aplicada, pois seria completamente inviável construir todo o avião e tentar fazê-lo voar com pilotos. A perda de vidas e investimentos seria enorme e certamente nossos aviões não seriam como hoje os conhecemos se não fosse usada a simulação. Prof. Dr. Fernando Ciriaco Dias Neto - Engenharias - 1º Sem. / Pág. 192

9 Unidade IV Simulação Razões e situações que justificam a Simulação A evolução da informática nos últimos anos tornou o computador um importante aliado da simulação. A simulação por computador é usada nas mais diversas áreas, citando como exemplos as análises de previsão meteorológica, dimensionamento de processos produtivos, treinamento de estratégia para militares e pilotagem de veículos ou aviões. Até mesmo o estudo aerodinâmico, antes feito por maquetes, hoje podem ser realizado pelo computador. Prof. Dr. Fernando Ciriaco Dias Neto - Engenharias - 1º Sem. / Pág. 193

10 Unidade IV Simulação Benefícios gerados pela Simulação Com o uso do computador na simulação, pode-se reduzir custos de fabricação montagem e testes com modelos. Além disto, a simulação permite observar as limitações do sistema que está sendo analisado, prevendo-se sua capacidade máxima e seu desempenho sob as mais diversas situações. Prof. Dr. Fernando Ciriaco Dias Neto - Engenharias - 1º Sem. / Pág. 194

11 Unidade IV Simulação Benefícios gerados pela Simulação A simulação do enchimento de um molde com metal líquido é um exemplo de simulação que reduz custos com moldes, material e energia. Prof. Dr. Fernando Ciriaco Dias Neto - Engenharias - 1º Sem. / Pág. 195

12 Unidade IV Simulação Benefícios gerados pela Simulação A simulação de processos permite que se faça uma análise do sistema em questão sem a necessidade de interferir no mesmo. Todas as mudanças e consequências, por mais profundas que sejam, ocorrerão apenas com o modelo computacional e não com o sistema real. Prof. Dr. Fernando Ciriaco Dias Neto - Engenharias - 1º Sem. / Pág. 196

13 Unidade IV Simulação Trata-se de um estudo de baixo custo, visto que todo o trabalho de implementação é testado no computador, permitindo ainda o teste de inúmeros cenários e alternativas de solução para o sistema em estudo. Prof. Dr. Fernando Ciriaco Dias Neto - Engenharias - 1º Sem. / Pág. 197

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16 Tipos de simulação Simulação Icônica Em primeiro lugar, vamos revisar os conceitos de modelo icônico: Modelo icônico é aquele que representa, da forma mais fiel possível, o sistema físico real (SFR). Sua característica básica é o alto grau de semelhança com o seu equivalente real. Tem como objetivo comunicar informações que permitam transmitir como era, é ou será o SFR. Vantagem possibilidade de aperfeiçoamentos que melhorem a segurança de operação e manutenção, ou definir de forma realística detalhes construtivos Prof. Dr. Fernando Ciriaco Dias Neto - Engenharias - 1º Sem. / Pág. 200

17 Tipos de simulação Simulação Icônica A simulação icônica baseia-se em um modelo icônico, onde o SFR é representado através de modelos físicos geralmente com dimensões diferentes das reais com o propósito de verificar como ele funcionará. Exemplos: i) Um túnel de vento montado para simular os efeitos aerodinâmicos sobre uma aeronave ou sobre uma superfície de um veículo; Prof. Dr. Fernando Ciriaco Dias Neto - Engenharias - 1º Sem. / Pág. 201

18 Tipos de simulação Simulação Icônica O modelo de um rotor de Savonius Prof. Dr. Fernando Ciriaco Dias Neto - Engenharias - 1º Sem. / Pág. 202

19 Tipos de simulação Após gerados os mais diversos resultados das simulações com o modelo em escala reduzida, pode-se então partir para a construção do equipamento em tamanho r e a l, c o m o o g e r a d o r mostrado ao lado, que funciona com um rotor de Savonius Prof. Dr. Fernando Ciriaco Dias Neto - Engenharias - 1º Sem. / Pág. 203

20 Simulação Analógica Tipos de simulação Na simulação analógica é feita a comparação de alguma coisa não familiar, ou de difícil manipulação, com outra familiar, ou de fácil manuseio. Ou seja, é feito um sistema comportar-se de modo análogo a outro. Uma característica básica desta forma de simulação é a pouca semelhança existente entre os dois sistemas - o análogo e o real. Prof. Dr. Fernando Ciriaco Dias Neto - Engenharias - 1º Sem. / Pág. 204

21 Tipos de simulação Simulação Analógica Exemplos: 1) A água representando o ar passando pela asa o modelo de avião; 2) um sinal de tensão elétrica pode representar a pressão do vapor em uma turbina; 3) uma bolha de sabão pode fornecer informações sobre as tensões em um eixo em rotação; Prof. Dr. Fernando Ciriaco Dias Neto - Engenharias - 1º Sem. / Pág. 205

22 Simulação Analógica Tipos de simulação 5) Um amortecedor - utilizado em sistemas de suspensão de automóveis de passeio - pode ser simulado por um sistema elétrico, onde a corrente representa a velocidade do pistão, resistência, o atrito do pistão e a força aplicada é representada pela diferença de potencial elétrico medida nas extremidades da resistência (Figura 6.7). Variando a corrente elétrica varia-se a tensão, o que simula a intensidade de força necessária para cada velocidade do pistão. Assim, sem construir amortecedor, pode-se selecioná-lo para uma dada aplicação. Prof. Dr. Fernando Ciriaco Dias Neto - Engenharias - 1º Sem. / Pág. 206

23 Tipos de simulação Simulação Analógica Fig. 6.7 Simulação analógica - sistema mecânico e elétrico. Prof. Dr. Fernando Ciriaco Dias Neto - Engenharias - 1º Sem. / Pág. 207

24 Tipos de simulação Simulação Analógica 6) O fluxo de calor que passa através de uma parede de espessura L, com uma temperatura T1 na superfície esquerda e T2 na direita, pode ser simulado por um sistema elétrico onde T1 e T2 são representadas, respectivamente, pelas tensões elétricas V1 e V2 e a resistência térmica [L/(KA)] da parede, pela re sistência elétrica R (Figura 6.8). Assim, variando R pode-se simular diversas formas de isolamento, por exemplo, de um refrigerador. Além disto, pode-se simular, por exemplo, o efeito de várias camadas de isolamento unidas em série, pela associação em série de diferentes resistências elétricas. Prof. Dr. Fernando Ciriaco Dias Neto - Engenharias - 1º Sem. / Pág. 208

25 Tipos de simulação Simulação Analógica Fig. 6.8 Simulação analógica - sistema térmico e elétrico. Prof. Dr. Fernando Ciriaco Dias Neto - Engenharias - 1º Sem. / Pág. 209

26 Simulação Matemática Tipos de simulação A simulação do SFR usando a modelagem matemática é um instrumento de previsão muito útil, onde as características essenciais dos elementos idealizados são descritas variáveis e equações matemáticas. Deve-se ter em mente que os SFRs são, em geral, complexos e que, criando um modelo matemático, simplifica-se o sistema a ponto de poder analisá-lo convenientemente e com mais facilidade. Prof. Dr. Fernando Ciriaco Dias Neto - Engenharias - 1º Sem. / Pág. 210

27 Tipos de simulação Exemplo de Simulação Matemática Na Figura 6.9 está mostrado um reservatório de um fluido qualquer utilizado na indústria. O problema consiste em se determinar a vazão Q pelo orifício do fundo, em função da altura H do líquido no reservatório. Parte-se do pressuposto de que a altura H deva ser mantida constante, o que é conseguido adequando a vazão de entrada à de saída. Fig. 6.9 Modelo diagramático de um reservatório de líquido. Prof. Dr. Fernando Ciriaco Dias Neto - Engenharias - 1º Sem. / Pág. 211

28 Tipos de simulação Exemplo de Simulação Matemática Analisando o caso, e considerando que H deve ser constante, pode-se perceber que as energias nos pontos 1 e 2 serão iguais. Considerando que o escoamento ocorre sem viscosidade, pode-se empregar a equação de Bernoulli para representar o que foi acima descrito, já que por meio desta expressão é estabelecido que a energia entre dois pontos de uma linha de corrente deve permanecer constante, o que se aplica ao presente caso. Prof. Dr. Fernando Ciriaco Dias Neto - Engenharias - 1º Sem. / Pág. 212

29 Tipos de simulação Exemplo de Simulação Matemática O modelo matemático - equação de Bernoulli - que representa esta igualdade e pode ser assim descrito: P1 + ρ v gz 1 = P2 + ρ onde p é a pressão, v a velocidade, g a aceleração da gravidade, ρ a massa específica e z a posição vertical do ponto. v gz 2 Prof. Dr. Fernando Ciriaco Dias Neto - Engenharias - 1º Sem. / Pág. 213

30 O computador na Engenharia Simulação computacional A introdução do computador no processo de projeto tem se revelado um excelente auxílio ao engenheiro pois à, medida que os produtos vão ficando mais complexos, a sua modelagem também exige tratamentos mais detalhados. O projeto deixou de ser uma atividade individual, tornando-se um trabalho de equipe, exigindo a reunião de um grupo de indivíduos especializados na abordagem de problemas específicos. Prof. Dr. Fernando Ciriaco Dias Neto - Engenharias - 1º Sem. / Pág. 214

31 O computador na Engenharia Simulação computacional A utilização de computadores como ferramenta de trabalho para simular SFRs pode ser aplicada em vários ramos profissionais. Os benefícios do uso de computadores são inúmeros, tais como: aumento da produtividade aumento da qualidade de produtos minimização do custo final do produto melhoria no gerenciamento de projetos Prof. Dr. Fernando Ciriaco Dias Neto - Engenharias - 1º Sem. / Pág. 215

32 CONDUZINDO UMA BOA SIMULAÇÃO Algumas ações e cuidados por parte do engenheiro são importantes para se conduzir uma boa simulação. Vejamos algumas delas: 1. Formule o problema corretamente. Levante todas as informações a respeito do problema! 2. Estude as metodologias de simulação! 3. Obtenha informações consistentes sobre os procedimentos operacionais do sistema. Não se esqueça que os resultados são fortemente dependentes dos dados de entrada! 4. Modele adequadamente os fenômenos aleatórios do sistema em estudo. Prof. Dr. Fernando Ciriaco Dias Neto - Engenharias - 1º Sem. / Pág. 216

33 CONDUZINDO UMA BOA SIMULAÇÃO 5. Escolha o software mais adequado e utilize-o de forma correta! São muitos os softwares de simulação disponíveis no mercado. Avalie as vantagens e desvantagens de adoção de cada um antes de aprofundar o seu conhecimento em algum! 6. Estabeleça a validade e credibilidade do modelo utilizado. 7. Utilize os procedimentos adequados para analisar os resultados gerados na simulação! 8. Não se esqueça de que a simulação é imprecisa, pois trabalha sobre modelos, que são representações da realidade. Prof. Dr. Fernando Ciriaco Dias Neto - Engenharias - 1º Sem. / Pág. 217