A Evolução do CAD e sua Aplicação em Projetos de Engenharia

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1 Universidade Federal de São João Del-Rei MG 26 a 28 de maio de 2010 Associação Brasileira de Métodos Computacionais em Engenharia A Evolução do CAD e sua Aplicação em Projetos de Engenharia Renato Dias Calado do Amaral 1 ; Armando Carlos de Pina Filho 2 1 UFRJ, Escola Politécnica, Departamento de Engenharia Mecânica Rio de Janeiro, RJ, CEP: UFRJ, Escola Politécnica, Programa de Engenharia Urbana Rio de Janeiro, RJ, CEP: Resumo. Técnicas de CAD (Desenho Assistido por Computador) vêm sendo utilizadas há vários anos em projetos de Engenharia. Um dos primeiros programas criados para auxiliar a representação gráfica de projetos foi o AutoCAD, da AutoDesk. A princípio, o programa oferecia ferramentas 2D para projetos auxiliados por computador, apresentando recursos técnicos e de normalização. Mais tarde passou a oferecer ferramentas 3D, tornando possível a realização de projetos cada vez mais detalhados. Do ponto de vista mecânico, projetos de dispositivos, mecanismos e máquinas passaram a ser feitos com maior rapidez e eficiência. Apesar das vantagens, é importante citar que o CAD não passa de uma ferramenta, sendo fundamental o conhecimento do usuário quanto às normas de representação gráfica de projetos. Levando em consideração toda versatilidade e funcionalidade oferecida pelas técnicas de CAD, o presente trabalho tem por objetivo apresentar um histórico da evolução do CAD, destacando os principais programas utilizados, bem como uma série de aplicações dentro da Engenharia. Esse trabalho tem fins educacionais, não havendo qualquer relação comercial com as empresas e respectivos programas apresentados. Palavras chaves: CAD, Projetos de Engenharia, Desenho Técnico.

2 1 INTRODUÇÃO CAD Computed-Aided Design ou Desenho Assistido por Computador é um método computacional bastante utilizado na concepção de projetos de Engenharia, Arquitetura, entre outras. Tal método consiste em um software voltado ao desenho técnico, reunindo diversas ferramentas destinadas aos mais variados fins. Ao referir-se à história ligada ao desenvolvimento dos softwares de CAD, não se pode deixar de observar que sem os postulados da chamada Matemática Euclidiana (criada por volta de 350 a.c.) não seria possível criar o referido método computacional. Milhares de anos depois, mais especificamente no início da década de 60 do século XX, Ivan Sutherland desenvolveu, como tese de conclusão do seu PhD no Massachusetts Institute of Technology (MIT), um sistema inovador que se tratava de um editor gráfico chamado Sketchpad (Sutherland, 2003), sistema esse que era bastante primitivo se comparado aos softwares de CAD atuais. O Sketchpad tinha como novidade a interação do usuário com o computador através da chamada Light pen, uma espécie de caneta luminosa que era usada diretamente na tela para realizar o desenho, juntamente com uma caixa de botões de comando. No editor, era possível criar e editar objetos, em 2D, de forma distinta, portanto tal sistema é tido como um marco na informática e na computação gráfica, sendo considerado o primeiro software de CAD. Apesar disso, em 1957 o mundo já tomava conhecimento do primeiro sistema de CAM (Computed-Aided Manufacturing, ou Fabricação Assistida por Computador), desenvolvido pelo Dr. Patrick J. Harantty. Por tal motivo, Dr. Harantty é popularmente conhecido como o precursor dos sistemas CAD/CAM. Nos primeiros anos, a utilização dos softwares de CAD restringiu-se às empresas do setor aeroespacial e pelas grandes montadoras automobilísticas, como a General Motors, por exemplo, devido ao alto custo dos computadores exigidos pelos sistemas. Tais softwares ainda não eram comercializados livremente no mercado, o desenvolvimento dos mesmos era particularmente voltado à demanda dos referidos setores. Na mesma década o Laboratório de Matemática do MIT, atualmente chamado de Departamento de Ciência da Computação, era responsável pelas principais pesquisas e pelo desenvolvimento de software de CAD 2D. Em outros lugares do mundo, como na Europa, começava-se a realizar tal tipo de atividade. Outros desenvolvedores de destaque foram: Lockheed, com o sistema CADAM; McDonnell-Douglas, com o sistema CADD. Por volta de 1970, os softwares de CAD deixaram de ser somente objetivo de pesquisas e passaram a ser comercializados livremente. Nesta mesma época, foram desenvolvidos softwares de CAD 3D (sendo o primeiro deles o Computer Aided Three Dimensional Interactive Application (CATIA), desenvolvido em 1977 pela empresa francesa Avions Marcel Dassault, que comprou a Lockheed), revolucionando o mercado consumidor do gênero. Os investimentos, bem como os lucros, cresceram vertiginosamente. No final dos anos 70, já existiam programas para modelagem de sólidos, como, por exemplo, o SynthaVision do Mathematics Application Group, Inc. (MAGI). A partir de 1980, com o desenvolvimento do primeiro Personal Computer (PC), pela IBM e seu lançamento em 1981, as atenções foram voltadas para tal classe de computadores. A empresa Autodesk, fundada no ano de 1982, lançou em novembro do mesmo ano o primeiro programa de CAD para PCs, o AutoCAD Release 1. Em 1985 a Avions Marcel Dassault lançou a segunda versão do CATIA, comercializada pela IBM. Nessa mesma década foram desenvolvidas as estações de trabalho (microcomputadores de grande eficiência e alto custo destinado a aplicações técnicas) que funcionavam com o sistema operacional UNIX. A maioria os programas de CAD desenvolvidos a partir de então se destinavam ao UNIX.

3 Já na década de 90, especificamente em 1995, a empresa SolidWorks lançou o promissor SolidWorks 95 3D CAD, revolucionando o mercado por ser utilizado no sistema operacional Windows NT, enquanto a maioria dos programas desenvolvidos até então ainda eram destinados ao sistema UNIX. Em conseqüência disso, o SolidWorks 95 demonstrou ser um softwares de boa relação de custo-benefício quando comparado aos concorrentes, que eram excessivamente caros. Nos anos que se seguiram até a atualidade, o desenvolvimento de softwares de CAD se deu de forma generalizada, com ofertas feitas por diversas empresas do ramo. A tecnologia vem sendo aprimorada a cada dia e com difusão da Internet no final dos anos 90, tal gênero de software tornou-se muito acessível ao redor do mundo, possuindo versões que podem ser utilizadas de forma gratuita (freewares). 2 PRINCIPAIS PROGRAMAS UTILIZADOS Como dito anteriormente, houve um grande desenvolvimento de softwares de CAD nas últimas décadas, além da difusão facilitada pelo acesso à Internet. Neste trabalho serão apresentados os principais softwares de CAD comercializados atualmente. 2.1 AutoCAD (http://www.autodesk.com.br) Software desenvolvido e distribuído pela empresa Autodesk, Inc., que teve sua primeira versão lançada em O AutoCAD (Fig. 1) é um programa de modelagem 2D e 3D cujas aplicações são diversificadas, tais como: projetos de engenharia mecânica, civil, elétrica, urbana, etc; arquitetura; uso em fabricação industrial; climatização de ambientes (internacionalmente conhecida como HVAC Heating, Ventilation and Air Conditioning). É importante notar que o AutoCAD é muito utilizado também como ferramenta em disciplinas acadêmicas que envolvam desenho técnico. Figura 1 - Interface do software AutoCAD 2009, da empresa Autodesk. O AutoCAD apresenta comandos inseridos através do teclado, que possibilitam uma prática criação de entidades (elementos do desenho) no momento da concepção do modelo desejado, otimizando o trabalho do projetista. Tais comandos substituem a necessidade de navegação com o ponteiro do mouse com o objetivo manipular as barras de ferramenta que contêm tais funções. O programa gera diversos tipos de arquivo, podendo, assim, exportálos através do comando export. A versão 2009 tem a capacidade de gerar diversos arquivos, tais como: Block (*.dwg); 3D DWF (*.dwf); Metafile (*wmf); Encapsulated OS

4 (*.eps); Bitmap (*.bmp); sendo o arquivo Block (*.dwg) uma extensão compartilhada por diversos programas de CAD. O AutoCAD é capaz de importar arquivos do tipo 3D Studio (*.3ds), provenientes do AutoDesk 3D Studio Max. O usuário do AutoCAD tem a possibilidade de associar aos seus projetos, programas feitos com base em linguagens de programação, tais como: Visual Basic for Aplicattions (VBA), Visual LISP e ObjectARX. 2.2 SolidWorks (http://www.solidworks.com) Software desenvolvido pela empresa SolidWorks, do grupo Dassault Systèmes, é um programa de CAD 3-D, para modelagem de sólidos, geralmente utilizado no projeto de conjuntos mecânicos (Veja Fig. 2). Figura 2 - Projeto realizado no software SolidWorks, da empresa SolidWorks (http://www.danshope.com/blog/images/sw_interface.jpg). O SolidWorks pode ser utilizado também como software de CAE (Computed-Aided Engineering), em conjunto com programas de simulação, tais como o SolidWorks Simulation e o SolidWorks Flow Simulation. O SolidWorks Simulation é tido como uma importante ferramenta de análise de tensões nas peças projetadas. O programa funciona com base no método numérico dos elementos finitos (ou FEM, do inglês Finite Element Method), respondendo à aplicação virtual de forças sobre a peça. O SolidWorks Flow Simulation é um programa de análise de escoamento, baseado no método numérico dos volumes finitos. Uma aproximação orientada permite ao profissional obter razoável performance de sua análise com o projeto sob condições reais. Assim, o SolidWorks Flow Simulation pode ser usado num vasto campo de aplicações e tem sido desenvolvido para ser extremamente flexível. O SolidWorks é compatível com arquivos *.dwg gerados pelo AutoCAD, podendo modificar dados 2D ou converter os mesmos em dados 3D. 2.3 CATIA (http://www.3ds.com/products/catia) Software de CAD 3-D desenvolvido pela empresa Dassault Systèmes e comercializado pela IBM. Seu uso mais comum é para modelagem de conjuntos mecânicos (Veja Fig. 3). Através do CATIA, o projetista pode analisar o modelo construído simulando-o com ferramentas adequadas de análise de tensões. Portanto, o CATIA pode ser considerado como um software de CAE (Computed-Aided Engineering). O CATIA V5, por exemplo, é compatível com arquivos gerados pelas versões 2007 e 2008 do SolidWorks.

5 Figura 3 - Projeto realizado no software CATIA V5, da empresa Dassault Systèmes (http://www.cadcamnet.com/online/03/jan/03jan-gs1-catia-biws.jpg). 2.4 Pro/ENGINEER (http://www.ptc.com/products/proengineer) O Pro/ENGINEER é um software desenvolvido pela empresa Parametric Technology Corporation PTC. Trata-se de programa de CAD 3-D amplamente utilizado em projetos de sistema mecânicos. Assim como outros softwares do gênero, o Pro/ENGINEER é, também, uma ferramenta de CAE, possuindo ferramentas de simulação de condições reais de aplicação, com análise de tensões dos componentes, entre outros recursos. O software suporta o uso de máquinas CNC, tais como fresadoras e tornos. 2.5 Mechanical Desktop (http://usa.autodesk.com/adsk/) Software de CAD 3-D desenvolvido pela empresa Autodesk, na tentativa de fazer frente de mercado ao SolidWorks, CATIA e Pro/ENGINEER. 3 APLICAÇÕES O CAD EM PROJETOS DIVERSIFICADOS Com todo o avanço das técnicas de CAD, tornaram-se frequentes os pacotes de softwares voltados para mecânica computacional, possibilitando ao usuário realizar não apenas o desenho (representação gráfica do projeto), mas também simulações a partir de modelos gerados. Quando não, softwares específicos que utilizem o método numérico de elementos finitos e/ou o método numérico de volumes finitos têm como input modelos construídos com auxílio de softwares de CAD, como aqueles citados na seção anterior. A seguir, são apresentados alguns exemplos de projetos nas principais áreas da engenharia. 3.1 Análise estrutural na construção civil Softwares de CAD têm como principal utilização o auxílio em projetos de Engenharia Civil. Neste ramo, projetam-se desde edifícios às vias de circulação dos transportes. O método numérico de elementos finitos é muito útil em tal prática, simulando um determinado carregamento e analisando esforços ao longo da estrutura (Veja a Fig. 4). Outro exemplo, já no setor da construção residencial é a análise de esforços em um modelo de escada, popularmente conhecida como espinha de peixe, desenvolvido no CAD (veja a Fig. 5(a)).

6 Por último, tem-se uma simulação dos esforços que atuam na estrutura de um túnel localizado na Rodovia M-111, em Bay City, Michigan, USA. A Fig. 5(b) ilustra o gradiente de esforços internos à estrutura de concreto do túnel e no detalhe desenho feito em CAD, que é informação de entrada da análise realizada. Figura 4 - Análise estrutural de uma ponte (Barrett, 2008). (a) (b) Figura 5 (a) Análise de esforços em uma escada (http://www.ansys.com); (b) Análise estrutural dos túneis da rodovia M-111, Bay City Michigan, USA (http://www.civilfem.com/download/brochures.php). 3.2 Análise estrutural de dispositivos mecânicos Na Engenharia Mecânica, o uso do CAD aliado à mecânica computacional já é uma prática comum. Análise de esforços em componentes mecânicos é muito importante para garantir a segurança na operação de uma máquina (Veja Fig. 6).

7 Figura 6 - Análise de esforços de um dispositivo de assento ejetável com paraquedas (http://www.ansys.com/products/images/structural-mechanics-products-parachutes-bg.jpg). 3.3 Análise de escoamento Outro destino comum dos modelos feitos em CAD é a simulação de escoamento utilizando o método numérico de volumes finitos. A Fig. 7 apresenta uma ilustração do escoamento de gases dentro da câmara de combustão de um motor diesel. 4 CONCLUSÃO Figura 7 - Escoamento dos gases de combustão em um motor diesel (http://www.ansys.com/assets/brochures/ansys-cfx-12.1.pdf). Com base nas fontes consultadas, pode-se afirmar que a utilização do CAD como método computacional em engenharia é uma prática em expansão e de grande auxílio nos projetos, uma vez que a partir de modelos de CAD pode-se realizar simulações ligadas à mecânica computacional dando mais confiabilidade ao produto final. O presente trabalho procurou apresentar um histórico da evolução do CAD, destacando os principais programas utilizados, bem como uma série de aplicações dentro da Engenharia. Esse trabalho tem fins educacionais, não havendo qualquer relação comercial com as empresas e respectivos programas apresentados.

8 Agradecimentos Os autores gostariam de expressar sua gratidão à Universidade Federal do Rio de Janeiro UFRJ, especificamente à Escola Politécnica pelo apoio no decorrer do presente trabalho, bem como ao CNPq (Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico) pelo suporte financeiro fornecido por meio de seu programa institucional de bolsas de iniciação científica PIBIC. 5 BIBLIOGRAFIA Autodesk, Orange County Sanitation District Customer Success Story. Autodesk Infrastructure Solutions. Autodesk, Langan Engineering & Environmental Services Customer Success Story. Mondardo, D., Bellon, P. P., Santos, L. B., Meinerz, C. C., Haoui, A. F., Proposta de Recuperação Ambiental na Área Urbana da Microbacia do Rio Ouro Monte. 2nd International Workshop Advances in Cleaner Production, São Paulo, Brasil. Sutherland, I. E., Technical Report number 574. Sketchpad: A man-machine graphical comunication system. University of Cambridge, Computer Laboratory, p. 20. Xavier, C. C., Sistemas de Informação Geográfica, Trabalhos em Desenvolvimento pelo IMPA e INPE. COPPE/UFRJ/LCG. Barrett, P. R., Combining the strengths of ANSYS Workbench and ANSYS/CivilFEM. ANSYS, Inc. Acessado em 08 de março de Acessado em 08 de março de Acessado em 08 de março de Acessado em 08 de março de Acessado em 09 de março de Acessado em 09 de março de Acessado em 10 de março de Acessado em 08 de março de Acessado em 10 de março de Acessado em 11 de março de Acessado em 11 de março de Acessado em 12 de março de Acessado em 12 de março de DIREITOS AUTORAIS Os autores são os únicos responsáveis pelo conteúdo do material impresso incluído neste trabalho.

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