Aula 08. Modelos e Simulação

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1 Modelos e Simulação 8.1 Aula 08 Modelos e Simulação Walter Antônio Bazzo e Luiz Teixeira do Vale Pereira, Introdução a Engenharia Conceitos, Ferramentas e Comportamentos, Capítulo 7: Modelos e Simulação

2 Modelos e Simulação 8.2 Modelagem I Implementação direta de uma solução conduz certamente a falhas relacionadas a segurança, custos e eficiência. Existe uma grande dificuldade em propor uma solução direta para um problema ð O engenheiro deve inicialmente modelar adequadamente o problema. Modelar pode ser a construção de uma maquete, a dedução de equações que representem o sistema, uma descrição formal em papel, etc. O Modelo deve ser capaz de representar o produto antes de sua concretização, permitindo que se compreenda sua essência, funcionamento, detalhes construtivos, operação, manutenção, etc.

3 Modelos e Simulação 8.3 Electronic Workbench Lezione: Modelagem II 3D Bridge - Yavanna3d 1/2: Modelagem de um Mustang P51: Free CATIA Tutorial - Rebuild Mustang #3 of 6: Catia V5 freestyle P51 Mustang: Fonte:

4 Modelos e Simulação 8.4 O que é Modelar Modelar é representar o Sistema Físico Real (SFR), ou parte dele, em forma física ou simbólica, convenientemente preparada para predizer ou descrever seu comportamento. Modelagem é o ato de Modelar, ou seja, é a atividade de construir o Modelo para representar o SFR.

5 Modelos e Simulação 8.5 Porque utilizar Modelos Falta de praticidade e altos gastos envolvidos com a construção de todas as alternativas possíveis de um SFR. Perigo envolvido com a manipulação e construção de alguns SFRs. Possibilidade de análise de diferentes variáveis em relação a seus efeitos no desempenho do sistema. Modelos podem ser utilizados com auxílio computacional para analisar diversas soluções de projetos. Abstração de um problema do seu equivalente real conduz o engenheiro de um campo desconhecido para um campo familiar ð Engenheiro sente-se mais a vontade na realização de seu trabalho.

6 Modelos e Simulação 8.6 Modelo e Sistema Físico Real Modelos implicam em simplificações que conduzem a imprecisões entre o comportamento do SRF e aquele obtido através da utilização do modelo. O papel do engenheiro é, considerando o objetivo da solução, analisar o SFR e utilizar sua capacidade de abstração para construir um modelo que seja suficientemente representativo do SFR. O engenheiro deve considerar as simplificações introduzidas e observar se elas não prejudicam a utilidade do modelo ð Erros de 5 a 10% em problemas de engenharia em diversas situações são aceitáveis. Definição de Hipóteses Simplificadoras O nível de detalhamento do modelo deve variar em função das características do sistema modelado - Ex.: sistema que implica risco de vida deve ser o mais próximo possível do SFR.

7 Modelos e Simulação 8.7 Validade das Hipóteses Simplificadoras As hipóteses simplificadoras que forem utilizadas na construção dos modelos devem ser verificadas, normalmente através de experimentação, para se definir o grau de representatividade do modelo. Um excelente preparo acadêmico, a vivência, experiência e maturação profissional normalmente conduzem a uma maior habilidade na escolha das hipóteses simplificadoras. Divergências entre os resultados previstos e a realidade são perfeitamente normais ð Modelos podem ser mais importantes por sua praticidade e possibilidade de previsão que por sua precisão.

8 Modelos e Simulação 8.8 Utilidade dos Modelos Pensar: modelos são excelentes mecanismos de auxílio a reflexão sobre a natureza de um sistema e/ou de seu comportamento. Comunicar: por facilitarem a descrição da natureza e funcionamento de um sistema, os modelos são muito usados para a transmissão de informações. Prever: modelos são excelentes ferramentas para a realização de previsões sobre o comportamento de um sistema e possibilitam portanto a análise de diferentes soluções em busca da melhor. Controlar: modelos podem ser usados como o delimitador do comportamento de um SFR, como por exemplo no caso da planta de um edifício que ao lhe modelar determina suas características. Ensinar e Treinar: modelos têm também enorme importância quando associados ao ensino e treinamento, pois constituem importantes suportes didáticos. Na modelagem pode-se desenvolver basicamente 4 tipos de modelos: Icônico, Diagramático, Matemático e Representação Gráfica

9 Modelos e Simulação Tipos de Modelos 8.9 Modelo Icônico I Ícone = Imagem ð Um modelo icônico é aquele que através de uma imagem representa o SFR do modo mais fiel possível, respeitando suas formas e proporções. Característica básica: ser semelhante a seu equivalente real. Objetivo principal: permitir que se conheça como era ou será o SFR. Grande utilidade está na possibilidade de aperfeiçoar ou mesmo definir de forma realística, detalhes do SFR antes de sua construção. Estes modelos podem ser bi ou tri dimensionais (maquetes) sendo especialmente importantes para explicitar projetos completos ou de difícil visualização espacial.

10 Modelos e Simulação Tipos de Modelos 8.10 Modelo Icônico II Bidimensional Tridimensional

11 Modelos e Simulação Tipos de Modelos 8.11 Modelo Diagramático Este modelo utiliza um conjunto de linhas e símbolos para representar a estrutura e/ou o comportamento do SFR. Contrariamente ao modelo icônico, existe pouca semelhança entre o modelo e seu equivalente real. Grande vantagem: facilidade oferecida para a representação dos SFRs. Desvantagem: somente iniciados o compreendem. Fonte:

12 Modelos e Simulação Tipos de Modelos 8.12 Modelo Matemático I Este tipo de modelo serve a idealização de um SFR, por meio de técnicas de construção lógica não necessariamente naturais e, certamente, não completas. Ele descreve os fenômenos e variáveis associadas a um problema através de elementos que representam as características reais utilizando uma expressão matemática. Dentre os modelos simbólicos, o matemático é o de aplicação mais importante em engenharia.

13 Modelos e Simulação Tipos de Modelos 8.13 Modelo Matemático II A modelagem matemática de um SFR talvez constitua a mais poderosa ferramenta de representação a disposição do engenheiro: Proporciona um meio eficiente de previsão oferecendo uma linguagem concisa e universal. Oferece os meios para que se possa realizar uma estimativa rápida do comportamento de um fenômeno. Garante que um modelo aperfeiçoado assegure um tempo menor na realização do processo iterativo presente no desenvolvimento de um projeto (avaliação de resultados, retorno a fases anteriores, re-análise). Este tipo de modelo permite que se utilize um processo de simulação para prever o que se pode esperar do SFR. Exemplo: Equação de Torricelli que fornece a velocidade final V de um móvel, com velocidade inicial V 0, aceleração constante a, tendo o móvel 2 2 percorrido uma distância S ð V = V + 2aS 0

14 Modelos e Simulação Tipos de Modelos 8.14 Modelo de Representação Gráfica Este tipo de modelo oferece uma ferramenta que auxilia na visualização, comunicação e previsão. O modelo utiliza linhas, barras, etc. para a representação de informações associadas aos SFRs como dados gerais ou físicos (temperatura, velocidade, tempo, etc.). Fonte: Fonte:

15 Modelos e Simulação 8.15 Simulação I Simular é submeter modelos a ensaios, sob diversas condições, para observar como eles se comportam. A partir da simulação de um modelo se pode avaliar a resposta que deve ser esperada de um SFR. A simulação pode estar associada a protótipos ou simples modelos submetidos a ambientes reais ou virtuais. Modelos matemáticos podem ser submetidos a distúrbios matemáticos para avaliar a condição de serviço esperada. A simulação permite que se reproduza o funcionamento de um sistema em condições diferentes das reais ð Comparação de diferentes soluções.

16 Modelos e Simulação 8.16 Simulação II CATIA V6 Mechanical Engineering & Design Multi discipline assembly kinematics simulation: 3D Bridge Model Simulation: AMT Engineering- Simulation of Robot Packing Pallets: Simulated Aircraft Inspection: Simulador Realista de Rally:

17 Modelos e Simulação 8.17 Tipos de Simulação Em engenharia, se pode classificar a simulação em três categorias: Icônica Analógica Matemática

18 Modelos e Simulação Tipos de Simulação 8.18 Simulação Icônica A simulação icônica envolve a utilização de um modelo icônico que representa um SFR, geralmente de dimensões menores que as reais e tem como objetivo observar como este se comportará sob condições específicas. Testes em protótipos ou modelos em condições controladas em um laboratório, também representam simulações icônicas realizadas por engenheiros ð Nestes testes as principais características podem ser controladas com maior rigor. Exemplos: ensaios em túnel de vento e a construção de usinas hidrelétricas em escala reduzida. Fonte: Fonte:

19 Modelos e Simulação Tipos de Simulação 8.19 Simulação por Analogia A simulação por analogia envolve a comparação de algo não familiar, ou de difícil manipulação, com algo familiar ou de manuseio facilitado, permitindo que um sistema se comporte de modo análogo a outro. Normalmente existe pouco ou nenhuma semelhança entre os dois tipos de sistemas comparados, o análogo e o real. Sua utilização exige que o engenheiro utilize sua imaginação e tenha bons conhecimentos dos fenômenos físicos básicos, bem como conhecimentos em áreas diversas. Exemplo de analogias utilizadas em engenharia:

20 Modelos e Simulação Tipos de Simulação 8.20 Simulação Matemática A simulação matemática de um SFR é uma ferramenta que permite que através da descrição das características essenciais de elementos através de símbolos matemáticos, se possa simular o comportamento deste elemento. Simulação que oferece um modelo de previsão tipo entrada-saída ð A partir de dados de entrada se obtém a saída do sistema.

21 Modelos e Simulação 8.21 Dinâmica em Grupo 1. Considerando a apresentação realizada, efetue uma pesquisa na Internet e colete material (vídeos, desenhos, etc. máximo 5 minutos) que exemplifique um modelo ou uma simulação de um dos diferentes tipos apresentados em sala (os grupos devem abordar tipos diferentes). No fórum da disciplina publique o link do material utilizado, organize a discussão em seu grupo e responda a seguinte questão: Quais foram as hipóteses simplificadoras utilizadas na construção dos modelos utilizados e qual sua influência no resultado final. 2. Identifique outro material que apresente um tipo de modelo/simulação que possa ser utilizado como ferramenta didática em uma das disciplinas que você está cursando e publique o link indicando porque o grupo acha a ferramenta importante.

22 Modelos e Simulação 8.22 Para ir Além... Mathematical Modeling and Simulation: Curso sobre Modelagem e Simulação matemática: mathmodelsim Real-Time Simulation and Testing using Simulink: Outra abordagem: Carlos Fernando Jung, Metodologia Científica e Tecnológica, Disponível em: admin/arquivosupload/2583/material/2-modulo_modelo_2006.pdf Para se aprofundar: Luiz Henrique de Araújo Dutra, Os modelos e a pragmática da investigação, Disponível em: