22 CADWARE INDÚSTRIA Elementos Finitos A base da Tecnologia CAE no desenvolvimento de produtos - fator de competitividade Por Avelino Alves Filho Diretor Técnico do NCE Núcleo de Cálculos Especiais OProfessor Avelino Alves Filho diz que o mercado de CAE (Computer Aided Engineering) tem tido um significativo aumento de demanda em função das exigências de diversas empresas que recebem produtos de seus fornecedores para fazer parte do produto final - o objetivo é ter a garantia de que esses produtos não sofrerão falhas. Reforça que a preocupação, para não chegar ao ponto de possibilidades de recalls, está no desenvolvimento de testes antes do lançamento do produto final; se algo não atende às necessidades previstas no projeto com certeza ocorrerão atrasos, um aspecto inadmissível em um mundo onde a competitividade é um fator de grande importância. No mundo dos projetos de engenharia erros não são permitidos - por exemplo, uma empresa que fabrica motores recebe diversos itens fornecidos por empresas parceiras para serem agregados aos sistemas de um motor para a composição final. Neste caso, o CAE é obrigatório e imprescindível para esses fornecedores. Os testes do produto final devem ser feitos para certificar e não para efetuar o indesejável processo de tentativas e erros. Idem para os fornecedores de várias outras indústrias como aeroespacial, petróleo e gás, e assim vai. Oportunidades de mercado As oportunidades para um jovem engenheiro na área de CAE têm surgido de forma crescente - o CAE se tornou um item obrigatório no desenvolvimento de produtos. Em função dos cursos que ministro na área de 'elementos finitos' e também pela repercussão da atividade de serviços e de livros inéditos de minha autoria publicados, tenho recebido diversas solicitações - principalmente de pessoas ligadas à área de RH - para indicar candidatos para o preenchimento de cargos onde o uso do CAE/MEF (Método dos Elementos Finitos) é a exigência fundamental. Normalmente a solicitação está na indicação de alunos de meus próprios cursos e que tenham adquirido uma sólida formação conceitual e prática, principalmente para preencher vagas onde há carência de profissionais especializados em CAE/MEF. De forma real, as oportunidades na área de CAE estão em visível crescimento. Aqui fica um alerta - para um jovem engenheiro que pretende seguir carreira e ter sucesso na área de CAE, o primordial é investir de forma efetiva no conhecimento de conceitos e no embasamento do método (MEF). De certa forma isso não é complicado, a proposta é investir sem querer pegar atalhos. Em outras palavras, usar os softwares com visão de engenharia, não apenas realizar tutoriais - esse é um ponto importante que transmito em meus cursos. Por incrível que pareça, o mais necessário, para um jovem engenheiro que busca ter sucesso na área de CAE, é saber o que está fazendo. Isso é uma exigência básica, pois muitas pessoas são treinadas com base em repetição de tutoriais e em buscar a 'cor vermelha' na tela do software para indicar onde o produto apresenta falhas - na prática, nem sempre a 'cor vermelha' representa o principal ponto crítico, podem existir condições de contorno instrínsecas a outras cores que, sem a base conceitual, implicam em graves erros. Em linhas gerais o CAE não é complicado, porém necessita ser tratado de forma séria - de forma análoga, se você procura por um médico, não existe a necessidade de ir em busca de um cientista da medicina - precisa apenas encontrar um profissional com reputação e que saiba o que está fazendo, essa é também a lógica do CAE e a reputação é a base de profissionais bem sucedidos. Empresas que desenvolvem novos produtos e que buscam novos mercados necessitam de profissionais em contínuo aprimoramento e o CAE é fundamental nesse contexto. A ausência dessa visão implica lamentavelmente em duas alternativas: (i) solução de importantes problemas tecnológicos por improvisação e (ii) inexorável dependência tecnológica sem a capacidade de produzir novas soluções.
22 CADWARE INDÚSTRIA Malha de elementos finitos - chassi de caminhão O Prof. Dr. Avelino Alves Filho, diretor técnico do NCE Núcleo de Cálculos Especiais, esclarece alguns pontos importantes quanto ao uso da tecnologia CAE e do Método dos Elementos Finitos (MEF). Defende que - se o engenheiro não sabe modelar o problema sem ter o computador, ele não deve fazê-lo tendo o computador. Ainda ressalta: uma questão fundamental para o uso do CAE é que o engenheiro saiba o que está fazendo ao contrário de seguir tutoriais. Visão do Método dos Elementos Finitos A ideia do uso do Método dos Elementos Finitos (MEF) pode ser imaginada como uma ideia simples. Na aplicação de engenharia essa ideia é descrita, de forma evidente, com uma linguagem matemática. O importante para o indivíduo, como em qualquer linguagem, é saber o que está falando - o foco está no conteúdo. Falar sem conteúdo não leva a nada, de forma análoga, usar um software CAE sem saber expressar seu conteúdo é como falar de forma inconveniente sem qualquer sentido. Apenas para se ter uma ideia, na abordagem de elementos finitos o propósito é entender o comportamento do conjunto a partir de cada trecho, do comportamento de cada pedaço e de cada elemento. Para isso criamos uma malha, subdividimos o todo em pequenos pedaços, em elementos. A proposta é entender o comportamento do conjunto a partir do domínio de cada pedaço. Daí surgem dúvidas básica: Em quantos elementos deve-se dividir o conjunto? Como são esses elementos? Por isso a base conceitual é de extrema importância. Quem decide sobre tais análises é o engenheiro e não o software. Há todo um procedimento e um encadeamento lógico na construção da ideia do conjunto e dos elementos desse conjunto. Esse procedimento lógico não pode ser ignorado e nem tão pouco 'pulado'. Construir essa base conceitual, de forma adequada e consistente, é a garantia de sucesso e progresso do engenheiro no uso do CAE. Não existem ferramentas mágicas e nem soluções mágicas, o engenheiro necessita desenvolver a capacidade de análise como a do médico de fazer diagnósticos. Quarenta anos trabalhando em CAE nos proporcionou desenvolver técnicas de ensino e aprendizagem para o engajamento dessas aptidões e, de forma honesta, posso dizer que nada disso é complicado. É o que temos feito com muita dedicação e com resultados expressivos de satisfação. Sobre o NCE O NCE fornece serviços de cálculo estrutural, realiza análises estáticas, dinâmicas, não lineares e fadiga. É uma empresa que tem material próprio, na forma de livros publicados. A coleção Elementos Finitos A Base da Tecnologia CAE, em três volumes (Análise Estática, Análise Dinâmica e Análise não Linear) é usada nos treinamentos de CAE, os quais foram aplicados em diversas empresas do Brasil, tais como VW, Iveco, MWM, Ford, Embraer, Samsung, Nokia, Fiat, Fiat Powertrain, Thyssen, Bombardier, entre outras. O NCE atuou como parceiro da Bombardier no cálculo estrutural da revitalização dos trens e truques dos carros de passageiros da UGOFE na Argentina, cumprindo prazos e realizando um trabalho de alta qualidade técnica", disse o Eng. Lúcio Maciel Pitaluga, diretor de operações da Bombardier. Na reforma dos trens do Metrô de São Paulo, para colocação de ar condicionado, o trabalho foi considerado uma referência técnica, obtendo-se valores de cálculo com apenas 1% de diferença das medições, o que resultou ao NCE a indicação como uma das quatro melhores consultorias do Brasil, no Prêmio Revista Ferroviária, completa o executivo. NCE Núcleo de Cálculos Especiais www.nce.com.br
CADWARE INDÚSTRIA 17 23 CAE Bibliografia Elementos Finitos a base da tecnologia CAE Uma visão especialista sobre análise estática, análise dinâmica e análise não linear Análise Estática Este livro aborda o método dos elementos finitos com uma visão equilibrada entre os fenômenos físicos e os recursos da matemática aplicada. Apresenta discretização de sistemas contínuos e estabelece o procedimento padrão para todas as montagens de elementos finitos. Estuda elementos unidimensionais como molas, treliças e vigas, utilizados para entender a obtenção da matriz de rigidez de uma estrutura com uma série de interpretações físicas. Elementos bi e tridimensionais fazem parte do conteúdo, caracterizando o método dos elementos finitos como uma técnica aproximada de representação de sistemas contínuos. Trabalha a formulação matemática de cada elemento, incluindo funções de interpolação e resultados aproximados de deformações e tensões. Os diversos elementos da biblioteca são fornecidos com exercícios resolvidos e ricos em detalhes. Introduz as formulações isoparamétrica e geral do método, completando a leitura com alguns modelos de elementos finitos de casos práticos, com o objetivo de motivar a visualização da teoria explanada nas aplicações. Análise Dinâmica O livro aborda o método dos elementos finitos em análise dinâmica e divide-se em duas partes. A primeira parte traz o estudo do método dos elementos finitos, cargas e graus de liberdade dinâmicos, modelos físicos do problema, nos quais são consideradas as contribuições da massa, rigidez e amortecimento e a consequente formulação das equações do movimento. Estuda de forma bastante detalhada os sistemas de um grau de liberdade, abordando as vibrações livres sem amortecimento, as vibrações livres amortecidas e o caso geral das vibrações forçadas com amortecimento. A segunda parte aborda os sistemas de vários graus de liberdade. Explica a análise modal, isto é, o cálculo dos modos de vibrar e frequências naturais de uma estrutura com a solução dos problemas de autovalores e autovetores. Conceitos de massa concentrada (lumped mass) e massa consistente são discutidos. Estuda a resposta dinâmica de sistemas de vários graus de liberdade - vibrações forçadas, dando ênfase à hipótese da superposição modal. Trata das respostas dinâmicas às cargas senoidal, periódica e de impacto e ao carregamento dinâmico geral. Introduz os métodos de integração direta, explícitos e implícitos, além dos métodos iterativos. Análise Não Linear O estudo do método dos elementos finitos em análise não linear é o foco deste livro. Como proposta didática, traz quadros sinópticos que permitem revisar alguns pontos fundamentais para o entendimento da formulação matemática do problema não linear, tais como conceitos de tensores e as relações fundamentais envolvendo os tensores de tensão e deformação. São apresentados e explorados os principais conceitos físicos associados às não linearidades. Abordada de forma detalhada os recursos para o entendimento dos três pilares de toda análise não linear: os processos incrementais, os processos iterativos e os algoritmos de integração no tempo, para compreender as não linearidades em problemas estáticos e dinâmicos. Com vistas a superar as dificuldades inerentes ao estudo dos problemas não lineares, o livro introduz não só as técnicas matriciais envolvidas na análise não linear, mas também, por intermédio de exercícios, uma visão palpável das não linearidades, sem as quais o entendimento do método dos elementos finitos em análise não linear ficaria comprometido.