Introdução à Engenharia

Introdução à Engenharia Modelagem e Simulação (Técnicas e Ferramentas Utilizadas) Edgar Brito

Introdução Técnicas e ferramentas de modelagem e simulação, são utilizadas para facilitar e visualizar projetos antes de serem implementados. As vantagens: Custo de implantação, protótipos, visualização do problema, antecipação de prognósticos, etc. Estratégias em ambientes incertos e turbulentos. Necessidades na tomadores de decisão.

Subjetividades Processo de modelagem é mais do que simplesmente um processo mecânico, pois, seres humanos são racionalmente limitados e suas decisões e influenciados por uma série de questões de caráter subjetivo, relacionadas ao meio em que ele está inserido.

Modelagem

O que é um modelo? É uma representação da realidade, porém muito mais simples! Modelos normalmente são constituídos para que o seu usuário tenha maior controle do sistema, para que entenda uma situação mais complexa e para que faça prognósticos Não se pode modelar a realidade completamente, mas o mais próximo possível dela, daí o termo Modelagem

Tipos

Considerações Até a década de 60 eram usados somente meios lógicos e matemáticos de modelagem. Hoje, estímulos visuais por exemplo são utilizados como meios de modelagem. Exemplo: treinamento de piloto de aviões em simuladores computacionais. Experimentar com a realidade nem sempre é a melhor solução e pode ser desastroso devido a questões como custo, tempo, replicação, perigo e legalidade

Fases de um processo de modelagem 1. Formulação do Problema; 2. Construção de Modelos; 3. Obtenção de Solução; 4. Teste do Modelo; 5. Avaliação da Solução Todo processo racional, ou seja, que busca o melhor meio para se atingir um fim, sempre segue um padrão que é na verdade um desdobramento e adaptação do método científico clássico

Simulação É um método empregado para estudar o desempenho de um sistema por meio de formulação de um modelo matemático. Modelo matemático para representar a dinâmica de um sistema e se seu comportamento imitando a realidade. A simulação é essencialmente um trabalho com analogias, que leva a uma outra afirmação: que modelos tentam imitar a realidade.

Resumindo A modelagem é o processo de criação de modelos; modelo é uma representação simplificada e explícita da realidade com algum propósito definido e, simulação é o processo de manipular o modelo de uma forma dinâmica, como um fluxo de entrada, processamento e saída de algo

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Simulação e Controle

Ferramentas MathLab LabView CAD/CAM Catia, etc

Matlab MATLAB (MATrix LABoratory) é um software interativo de alta performance voltado para o cálculo numérico. O MATLAB integra análise numérica, cálculo com matrizes, processamento de sinais e construção de gráficos em ambiente fácil de usar onde problemas e soluções são expressos somente como eles são escritos matematicamente, ao contrário da programação tradicional.

Síntese O MATLAB é um sistema interativo cujo elemento básico de informação é uma matriz que não requer dimensionamento. Esse sistema permite a resolução de muitos problemas numéricos em apenas uma fração do tempo que se gastaria para escrever um programa. Além disso, as soluções dos problemas são expressas quase exatamente como elas são escritas matematicamente.

Estrutura É construído na linguagem MATLAB, chamada M-código ou simplesmente M. Quando o MATLAB é carregado, duas janelas são exibidas: a Janela de Comando (Command Windows) e Janela Gráfica (Graphic Windows). A Janela de Comando é ativada quando se inicializa o MATLAB, e o "prompt" padrão (>>) é exibido na tela. MATLAB pode ser usado como um shell interativo de matemática. Seqüências de comandos podem ser guardadas em um arquivo de texto, tipicamente utilizando o próprio editor do MATLAB, como um script ou encapsulado em uma função, alargando os comandos disponíveis.

Janela de comando

Formato do programa

Gráficos

Autodidata

Simulink

Desvantagens Os aplicativos criados só rodam no ambiente MATLAB. Logo, para executar programas em linguagem MATLAB é necessária uma licença por usuário (máquina). Licença muito cara!

Alternativas Softwares livres Octave Scilab Freemat

Labview O LabVIEW (acrônimo para Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench) É uma linguagem de programação gráfica originária da National Instruments. A primeira versão surgiu em 1986 para o Macintosh e atualmente existem também ambientes de desenvolvimento integrados para os Sistemas Operacionais Windows, Linux e Solaris.

Estrutura VI (Virtual Instrum.) Os blocos de funções são designados por instrumentos virtuais. Isto é assim porque, em princípio, cada programa (Sub-IV) pode ser usado como sub-programa por qualquer outro ou pode, simplesmente, ser executado isoladamente.

Cont... O Painel Frontal (Front Panel) O Diagrama de Blocos (Block Diagram)

Exemplo Como exemplo colocou-se 3 objetos típicos do "Control Panel", botão rotativo, interruptor, LED.

As estruturas em linguagem G são colocadas no Block Diagram. Estrutura de ligação do diagrama de blocos

Desvantagens Pequenas mudanças podem ocasionar profundas reestruturações do programa, uma vez que sempre que se insere um novo bloco é necessário voltar a ligar os fios e os símbolos para restabelecer o funcionamento. Para evitar confusões de linhas é habitual introduzir mais variáveis do que aquelas que são estritamente necessárias, diminuindo-se assim a velocidade de programação e contrariando-se, de algum modo, o modelo de fluxo de dados.

CAD Desenho auxiliado por computador (DAC) ou CAD (do inglês: computer-aided design) é o nome genérico de sistemas computacionais (software) utilizados pela engenharia, geologia, geografia, arquitetura, e design para facilitar o projeto e desenho técnicos. No caso do design, este pode estar ligado especificamente a todas as suas vertentes (produtos como vestuário, eletroeletrônicos, automobilísticos, etc.), de modo que os jargões de cada especialidade são incorporados na interface de cada programa.

Considerações Estes sistemas fornecem uma série de ferramentas para construção de entidades geométricas como: linhas, curvas, polígonos Objetos tridimensionais (cubos, esferas, etc.). Também disponibilizam ferramentas para relacionar essas entidades ou esses objetos, por exemplo: criar um arredondamento (filete) entre duas linhas ou subtrair as formas de dois objetos tridimensionais para obter um terceiro.

Autocad É o mais utilizado no mundo. Criado e comercializado pela Autodesk, Inc. desde 1982. É utilizado principalmente para a elaboração de peças de desenho técnico em duas dimensões (2D) e para criação de modelos tridimensionais (3D). Além dos desenhos técnicos, o software vem disponibilizando, em suas versões mais recentes, vários recursos para visualização em diversos formatos. É amplamente utilizado em arquitetura, design de interiores, engenharia civil, engenharia mecânica,engenharia geográfica, engenharia elétrica e em vários outros ramos da indústria.

Outros softwares de CAD Outros programas bastante utilizados Solid Edge Solid Works Catia etc.

Engenharia assistida por computador - CAE Engenharia Auxiliada por Computador ou Computer Aided Engineering (CAE) é uma ferramenta de trabalho que utiliza o computador para dar suporte à engenharia auxiliando-a no desenvolvimento de projetos, por meio de análises predefinidas, tais como: análises estáticas,dinâmicas, térmicas, magnétic as, de fluidos, acústicas, de impacto e simulações, fazendo do CAE uma ferramenta poderosa para redução de custos de um projeto e minimizado o tempo de lançamento do produto final.

Definições O CAE está sustentado em ferramentas de CAD avançadas. Permitem definir as dimensões do produto concebido Como materiais, acabamentos, processos de fabricação e de montagem e até interações com elementos externos, como forças aplicadas, temperatura, etc.

Outras funções Pode criar protótipos virtuais dos produtos, simulando sobre eles as condições de uso. Efetuar estudos prévios do fabrico sobre aspectos tais como; a estabilidade, resistência e outros comportamentos. Empregam-se amplas bases de dados e técnicas de análise por elementos finitos, programadas em módulos, que se integram nas ferramentas de CAD/CAE. O CAE pode ser utilizado na elaboração de um projeto Análise e avaliação dos níveis do produto, verificado o produto quanto á sua funcionalidade, encaixes e design, podendo reavaliá-los; permite a verificar se as necessidades são compatíveis com a capacidade de produção. Redução drástica do tempo gasto com cálculos operacionais.

Ferramentas de CAE O processo principal do CAE é o Método de análise por Elementos Finitos (MEF), mas existem outras como por exemplo a simulação mecânica do evento (MES), fluidodinâmica computacional térmica e fluida da análise de fluxo (CFD).

Softwares empregam CAE O software CATIA possui ferramentas de design, análise e simulação, que permitem aos engenheiros a possibilidade de prever o comportamento dos produtos a fabricar. Os softwares como LS-DYNA da LSTC e PAM- CRASH da ESI são usados para os ensaios de crashtests de automóveis e a segurança dos ocupantes. Outras ferramentas como Altair HyperWorks, MSC s Patran, MSC s ADAMS, SIMPACK, NEi Nastran, UGS s Scenario e Nastran packages são usados em uma variedade de tarefas estruturais e dinâmicas de análise.

Catia

Vantagens O tempo e o custo de projeto são menores. Melhoramento do produto e as suas possíveis correções podem ser realizadas de forma mais rápida e segura. Pode-se corrigir e testar um projeto, evitando assim a construção de um protótipo. A realização de cálculos complexos na fase de engenharia por computador é agilizada. Reduz os custos de fabricação do produto na indústria; CAE permite uma maior confiabilidade e qualidade para o produto; Permite um aumento da competitividade.

Desvantagens Necessita de estações de trabalho dedicadas para realização dos cálculos complexos; Os sistemas de CAE não mostram qual o problema, apenas processam e exibem os resultados que por sua vez necessitam de passar por uma mão-de-obra especializada para interpretá-los; Nem sempre a utilização de protótipos pode ser descartada totalmente, pois não é possível realizar todas as simulações necessárias a fim de assegurar a qualidade do produto final através do software; O custo do CAE costuma ser alto, dependendo de sua finalidade; Muitas ferramentas do CAE integram ferramentas do CAD, mas problemas de integração com outras aplicações, como por exemplo, o CAM, costumam ocorrer.

CAM Computer Aided Manufacturing (CAM), ou Manufatura Auxiliada por Computador contrapondo-se ao CAD, e ao CAE Qualquer processo auxiliado por microcontrolador ou controlador numérico com uma interface direta a um computador, pode ser considerado um CAM, como p. ex. os tornos com CNC.

Definições Os sistemas CAM trabalham tendo como base modelos matemáticos provenientes do sistema CAD. Através desses modelos os sistemas geram um arquivo de caminho de ferramenta que através do pós-processador (software que gera o programa do comando específico da máquina). Através dos sistemas de CAM é possível tranferir todas as coordenadas para que as máquinas (CNC, etc.) efetuem as usinagens da peça.

Conclusão O uso e o conhecimento de ferramentas computacionais nas atividades da engenharia principalmente em controle e automação é fundamental no desenvolvimento profissional. Principalmente na formação do engenheiro com foco na Aplicação e Desenvolvimento.