Fazendo CAE Mainstream

Texto original publicado na revista virtual Desktop Engineering. Traduzido e reproduzido com a permissão do autor.

Por John F. Mannisto. Diretor de Engenharia, Simulation Based Design (CAE) na Whirlpool Corporation.

Uma vez eu abordei um grupo de estagiários com a seguinte pergunta: “como CAE foi lhes ensinado?” Eles responderam: “O que é CAE?”, “Um dos meus professores oferece um curso de MEF todos os anos, mas não é muito popular.”

Não é muito popular? Ihhh… (E isso em uma boa escola de engenharia de Michigan.)

Alguns anos atrás eu realizei um webinar com professores de engenharia. Eles queriam saber como poderiam preparar melhor os seus alunos para a indústria. Eu dei a eles minha opinião decidida tendenciosa: faça a engenharia auxiliada por computador (CAE) mainstream.

Parte da discussão foi centrada em como o material de CAE é ensinado. Eu acredito que há muita ênfase no trabalho inerente de programação de computadores e pouca aplicação prática.

Eu acredito que há muita ênfase no trabalho inerente de programação de computadores e pouca aplicação prática.

A calculadora é bem aceita como uma ferramenta de engenharia. Nós ensinamos: “Apertar o 1, depois apertar o +, então apertar o 1 e se obtém o 2”.

Imagine agora se o uso da calculadora fosse ensinado do mesmo jeito: “O processador principal é conectado ao dispositivo de entrada, com uma série de sensores no teclado. A tela de cristal líquido (LCD) é normalmente montada à placa de circuítos. Mais sobre LCD no capítulo 12.”

Loucura, não? Os alunos de graduação ainda se esforçam com matrizes de rigidez e funções de forma enquanto alunos de pós graduação fogem de qualquer disciplina que tenha qualquer dessas letras no nome: CAE, FEA, CFD. Isso é uma grande perda.

Construindo uma base

Eu tenho que admitir, durante minhas aulas na graduação eu tive que lutar com algumas dessas coisas. Euler, Bernoulli, Fourrier, Laplace todos eles me torturaram, era como eles mensuravam os estudantes de engenharia. Mas o aprendizado “real” veio com os muitos anos como analista CAE, olhava os contorno das tensões, animações e campos de fluxo. Eu não sei mais derivar a equação da viga, mas eu entendo como identificar tensão de viga e de membrana. Eu não me lembro como upwind differencing scheme funciona, mas eu entendo recirculação e separação de fluxo.

Eu imagino que a minha estória seja familiar para aqueles que cresceram com os cartões perfurados, fitas 9-track e com o FORTRAN spaghetti. CAE era para os professores que, rodeados por um amontoado de “super” computadores, podiam interpretar aquelas resmas de papel de impressora verde e branco. Isso não era para os fracos de coração.

Hoje em dia, produtos com o ANSYS Worbeanch e o STAR-CCM+ da CDadapco têm minimizado a necessidade de conhecimento de cada nuance do processo de construção do modelo. Eles estão indo ao ponto onde o engenheiro precisa somente entender a física do seu problema, e deixar o programa fazer o resto. Fourier, Dirchlet, Navier e Stokes podem ser conhecidos casuais ao invés de colaboradores diários.

Uma vez um medalha de honra escreveu o seu código FORTRAN com 10.000 linhas e time-step integration, mas agora os códigos 1-D como LMS Amesim ou Dymola/Modelica precisam somente de uma boa definição do domínio de operação. Runge e Kutta podem continuar trabalhando coxia.

Usando o jeito holístico

Então eu repito meu apelo às universidades: façam o CAE mainstream.

Ensine CAE não como uma disciplina, mas ao invés disso construa ela em todo o curso. Ensine a equação da viga, ensine Mc/I, então aplique isso em uma análise de elementos finitos. Ensine continuidade, momentum e Navier-Stokes, então mostre como definir uma condição de entrada e uma pressão de saída em um programa fluidinâmica computacional. Para ser justo, minha breve pesquisa no que as universidades oferecem revela um claro movimento nesta direção, mas eu descobri que esta é a exceção, não a regra.

Ensine CAE não como uma disciplina, mas ao invés disso construa ela em todo o curso.

Eu recebo feedback que professores não querem ensinar o uso de softwares, eles querem ensinar os fundamentos. Eu concordo. Se você ensina poesia, ensine poesia, não Microsoft Word. Se você ensina contabilidade, ensine contabilidade não Excel. Ensine os fundamentos mas faça as ferramentas disponíveis também. Um cartão de memória de R$20,00 com CAELinux (com um conjunto de códigos abertos) e uma pilha de vídeos no YouTube podem facilmente resolver esse problema. Eu também suspeito que muitos dos vendedores de softwares estão ansiosos para disponibilizar versões gratuítas ou de baixo custo de seus códigos comerciais para os estudantes. Eles têm um interesse oculto.

Enquanto CAE está crescendo, a taxa é limitada pelo mercado – pelo número de “verdadeiros” analistas CAE. Democratização do CAE pode expandir este negócio em dez vezes. Os vendedores sabem disso, eles vem trabalhando para fazer seus produtos o mais mainstream o possível. Agora eles só precisam que o mercado chegue, e ele virá das universidades.

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Uso de CAx no Processo de Desenvolvimento de Produtos – Parte 2/2

Esta publicação é uma continuação, comece a ler por aqui.

Analisando a interação entre um Processo de Desenvolvimento de Produto com tecnologias CAx se obtém a Figura 5.

Figura 5 – Interação do PDP com os sistemas CAx

Pode-se notar pela Figura 5 que há uma seqüenciamento entre os diversos sistemas CAx durante o PDP, iniciando com o uso de sistemas CAD e progredindo até os sistemas CAI. Essa linearidade ocorre principalmente devido ao fluxo de informações durante as fases do processo, pois em sua essência os sistemas CAx são independentes entre si.

É importante salientar o ganho de produtividade com a utilização dos diversos sistemas CAx de forma integrada. Segundo Souza (2005), a partir da década de 80, com a evolução dos sistemas CAD, outros sistemas computacionais tiveram ênfase, porém a integração entre eles limitava o seu uso nas empresas. A possibilidade da utilização integrada de vários recursos computacionais, auxiliada pela redução do investimento para aquisição dos programas, contribuiu para que várias empresas investissem em sistemas inteiros de CAx no dias atuais. No centro desta integração encontram-se os programas dos sistemas CAD.

As geometrias geradas em programas CAD podem ser usadas por todos os outros sistemas, assim, uma empresa que opta por um sistema integrado de CAx pode facilmente utilizar as geometrias dos SSCs geradas nos programas CAD e transportá-las para os programas CAM para analisar as aspectos relacionados a fabricação ou para programas CAE e analisar seu comportamento físico. A Figura 6 ilustra esta relação entre os sistemas CAx.

Figura 6 – Integração entre sistemas CAx

A Figura 7 exemplifica a aplicação dos sistemas CAx em uma empresa tendo em vista um componente de plástico injetado. É importante salientar que a figura ilustra as atividades de forma seqüencial com a intenção de facilitar o entendimento do leitor, em uma aplicação segundo a Engenharia Simultânea essas atividades ocorreriam com uma parcela de sobreposição visando a redução do tempo total do desenvolvimento.

Figura 7 – Exemplo de aplicação de sistemas CAx

Na Figura 7, o processo inicia com a obtenção da geometria do produto em um ou mais programas CAD, levando em consideração que a equipe de projetistas, envolvidas com aspectos técnicos relacionados ao produto, e a equipe de designer, responsáveis pela estética do produto, podem usar programas diferentes. A geometria obtida pode ser usada então em todos os outros programas da cadeia CAx,

Os programas CAE utilizam a geometria como base para a obtenção da representação matemática do modelo, no caso citado, para aproximar o comportamento do polímero durante o processo de injeção para a obtenção da peça.

A mesma geometria pode ser utilizada como base para o cálculo das trajetórias da ferramenta de usinagem em um programa CAM, auxiliando a determinação do tempo e custo aproximado de processo de fabricação do molde. A figura ainda mostra que os programas CAM são capazes de criar os programas NC utilizados para na programação dos equipamentos de usinagens de grande porte, chamados de máquinas CNC.

A geometria ainda pode servir de referência para um programa CAI, comparando a geometria ideal, obtida via CAD, com a geometria real, obtida através da medição de vários pontos de um componente já injetado por uma máquina de medir por coordenadas.

REFERÊNCIAS

PAHL, Gerhard; BEITZ, Wolfgang; FELDHUSEN, Jörg; GROTE, Karl-Heinrich. Projeto na Engenharia: Fundamentos do Desenvolvimento Eficaz de Produtos, Métodos e Aplicações. 6. ed. São Paulo: Edgard Blücher, 2005.

ROZENFELD, Henrique; FORCELLINI, Fernando Antônio; AMARAL, Daniel Capaldo; TOLEDO, José Carlos; SILVA, Sergio Luis da; ALLIPRANDINI, Dário Henrique; SCALICE, Régis Kovacs. Gestão de Desenvolvimento de Produtos: uma Referência para a Melhoria do Processo. 1. ed.  São Paulo: Saraiva, 2006.

SOUZA, Adriano Fagali de. A Importância de um Sistema CAD para Integração da Cadeia Produtiva. Mecatrônica Fácil. n. 24, p. 6-10, ago/set. 2005.

Sistemas CAx – Parte 1/2

Nos dias atuais é impossível falar do  Processo de Desenvolvimento de Produtos (PDP) sem mencionar os benefícios do computador para o bom andamento das atividades. Os computadores estão presentes em todas as fases do PDP, seja para a produção de relatórios em editores de texto, controle e gestão de informações como cronogramas ou em processos logísticos para a compra de insumos e controle de estoques. Segundo Pahl e Beitz (2005, p. 41) “o emprego do processamento de dados e da tecnologia da informação serve tanto para a melhoria do produto como também para a redução do custo de projeto para a produção”. Indo ao encontro destas necessidades sugiram os sistemas Computer Aided x, CAx, ou, em uma tradução livre, x Auxiliado por Computador, onde este x são as alternativas de tarefas que podem ser automatizadas com o uso de um computador.

Há uma grande quantidade de tecnologias que podem ser sintetizadas com a designação CAx (Pahl e Beitz, 2005). Há programas para cálculo e dimensionamento de peças, subconjuntos ou produtos, para otimização de produtos, componentes ou processos, para simulação de relações de movimentos entre diversas outras (Pahl e Beitz, 2005), e para cada um destas soluções há uma nova designação.

Uma lista completa de todas as designações dos sistemas CAx pode ser excessivamente extensa e foge da proposta deste texto, de forma que serão apresentadas alguns dos vários sistemas de forma superficial. Caso seja de interesse do leitor um conhecimento mais profundo nos diversos sistemas existentes, o autor sugere que seja consultada uma bibliografia especializada. Assim, apesar de ser possível encontrar algumas variações nas diversas literaturas existentes a respeito do tema, a maioria dos autores designa parte dos vários sistemas CAx da seguinte forma:

CAD, Computer Aided Design ou Projeto Auxiliado por Computador: São classificados desta forma os sistemas que auxiliam na criação das representações geométricas dos Sistemas, Subsistemas e Componentes (SSCs). Essa representação geométrica pode ser tanto em duas dimensões, na forma de desenhos de engenharia, ou em três dimensões, na forma de modelos sólidos ou em casca. Estes sistemas são largamente utilizados nos dias atuais e estão em ampla expansão. Uma imagem de um dos programas do sistema CAD pode ser visto na Figura 1.

Figura 1 – Exemplo de sistemas CAD

CAPP, Computer Aided Process Plane ou Planejamento de Processo Auxiliado por Computador: Programas designados desta forma são responsáveis pela realização de cálculos referentes aos processos de fabricação dos componentes de um produto, bem como armazenamento de informações do mesmo. O principal ganho com o uso estas ferramentas é o aumento da produtividade de planejamento de processo e a alta confiabilidade dos dados, entre outros benefícios (Rozenfeld et al, 2006).

CAI, Computer Aided Inspection ou Inspeção Auxiliada por Computador: São classificados assim os softwares responsáveis pela fiscalização de componentes ou processos de fabricação e montagem. Normalmente necessitam de um conjunto de outros recursos como câmeras ou sensores para que possam realizar as verificações. A Figura 2 ilustra um programa de CAI realização inspeções em uma linha fabricação de aros para carros.

Figura 2 – Exemplo de sistemas CAI no processo de manufatura

CAM, Computer Aided Manufacturing ou Manufatura Auxiliada por Computador: Os sistemas CAM compõem os sistemas que auxiliam o processo de manufatura em geral. Realizam cálculos de trajetórias de ferramentas em processo de usinagem, calculam o tempo aproximado do processo e permite a simulação da manufatura utilizando diferentes ferramentas e parâmetros. São programas bastante populares, principalmente nos setores de manufatura por remoção de material como usinagem por fresamento ou torneamento onde é comum sua utilização para a criação dos programas CNC que gerenciam grande parte das máquinas modernas e de alta capacidade. A Figura 3 mostra um programa do sistema CAM.

Figura 3 – Exemplo de sistemas CAM

CAE, Computer Aided Engineering ou Engenharia Auxiliada por Computador: São classificados dessa forma todos os programas que aproximam o comportamento de um processo ou dos SSCs sob várias condições físicas, como temperaturas, pressões, aplicações de força, velocidade, acelerações, campos eletromagnéticos e praticamente qualquer outro fenômeno físico que possa ocorrer durante o ciclo de vida do produto. A Figura 4 ilustra a análise do de pressão atuando sobre uma bola de golfe sujeita ao impacto do taco e considerando os efeitos aerodinâmicos realizada em um programa CAE.

Figura 4 – Exemplo de sistemas CAE

Cada uma dessas tecnologias descritas pode ser aplicada em uma ou mais fases do PDP, dependo do produto a ser desenvolvido, do grau de inovação do produto e da experiência da empresa no uso dos programas.

Continua…

Fontes:

PAHL, Gerhard; BEITZ, Wolfgang; FELDHUSEN, Jörg; GROTE, Karl-Heinrich. Projeto na Engenharia: Fundamentos do Desenvolvimento Eficaz de Produtos, Métodos e Aplicações. 6. ed. São Paulo: Edgard Blücher, 2005.

ROZENFELD, Henrique; FORCELLINI, Fernando Antônio; AMARAL, Daniel Capaldo; TOLEDO, José Carlos; SILVA, Sergio Luis da; ALLIPRANDINI, Dário Henrique; SCALICE, Régis Kovacs. Gestão de Desenvolvimento de Produtos: uma Referência para a Melhoria do Processo. 1. ed.  São Paulo: Saraiva, 2006.

SOUZA, Adriano Fagali de. A Importância de um Sistema CAD para Integração da Cadeia Produtiva. Mecatrônica Fácil. n. 24, p. 6-10, ago/set. 2005.

Tipos de simulação

Quem trabalha diariamente com o computador tem o hábito de associar automaticamente simulação àquelas imagens coloridas de peças se deformando ou às linhas de fluxo escoando sobre uma superfície. Não é de se censurar, nos últimos anos os avanços tecnológicos tem expondo mais e mais esse tipo de tecnologia, e a presença maciça de computadores no processo de desenvolvimento de produtos só tem contribuído para tornar sua aplicação ainda mais comum.

Porém se engana quem acredita que a única forma de simular um sistema ou componente seja através de computadores. Na verdade, a teoria aponta que há quatro formas distintas de simulação:

Simulação Icônica é aquele que estudo o sistema físico real através de uma aproximação geométrica, como um protótipo em escala real ou, como é mais comum, em escala reduzida. Normalmente testado em condições controladas, de forma que seus resultados possam ser usados para avaliações tanto quantitativas quanto qualitativas. Em bom exemplo deste modelo são as geometrias usadas em túneis de vento para verificar o seu arraste aerodinâmico.

Simulação Analógica é quando se pode tirar conclusões sobre algo desconhecido ou muito complexo através de sua comparação com algo mais simples ou mais tangível. Este método é bastante utilizado em sistemas eletro-eletrônicos, onde grandezas de difícil visualização espacial como uma resistência elétrica podem ser ilustradas como uma mola mecânica.

Simulação Matemática é aquela que usa conhecimentos básicos de matemática e física para modelar fenômenos e prever resultados. Esse método é o que o engenheiro normalmente usa naturalmente, eventualmente sem perceber, quando dimensiona um motor que movimentará uma esteira, um pistão que empurrará uma peça em uma linha de montagem ou uma bomba hidráulica para succionar água de um poço artesiano.

Simulação Computacional é a que conhecemos como sistemas CAE (Computer Aided Engineering). Sua característica maior é permitir a análise de componentes que não existem ainda fisicamente, usando como base para cálculo uma representação matemática de uma geometria CAD (Computer Aided Design) chamada de malha. Este tipo de simulação permite um grande nível de detalhe e uma grande acuracidade nos resultados, sendo usado em quase todas as grandes empresas como um instrumento para o dimensionamento e validação de projetos ainda antes de sua manufatura.

Por trás de todos estes métodos de simulação há o desejo de conhecer o produto antes de se tê-lo. O ideal durante o desenvolvimento de um produto  é que se tenha o maior número de informações possíveis, com a maior acuracidade e no menor tempo. Portanto, apesar de parecerem métodos totalmente separados e concorrentes é comum que todos seja aplicados simultaneamente e/ou uns sobre os outros. Exemplificando:

Imaginando-se que o produto a ser desenvolvido é uma válvula hidráulica  para uma aplicação específica, pode-se usar uma simulação matemática para obter a pressão interna da válvula durante a aplicação, uma simulação computacional para verificar as tensões na válvula devido a esta pressão e ainda uma simulação icônica para medir a perda de carga causada por ela em uma linha. A mesma válvula poderia ser desenvolvida totalmente por simulação computacional, ou por simulação icônica porém com mudança na qualidade e no tempo final para obtenção dos resultados. O melhor método para se simular varia por empresa, recursos financeiros, disponibilidade de ferramentas e qualidade requerida nos resultados.

Apesar de haver uma convergência ($ olha o jabá $) para as simulações computacionais, eu particularmente acredito que sempre haverá espaço para as outras, principalmente porque os custos que envolvem os programas de simulação ainda são bastante elevados e não é possível dissolve-los em todos os mercados, ou aparecem demandas tão específicas e ocasionais que não justificam a aquisição de uma licença exclusivamente para isso. Além disso, é natural que um engenheiro que realize boas simulações computacionais desenvolva também capacidade de trabalhar bem com todas as outras formas de simulação.

E você? Achas que as simulações computacionais vão dominar todo o mercado? Haverá espaço para o engenheiro que saiba somente operar um programa CAE? E para o engenheiros que domina as outras formas de simulação porém não tem habilidade com computador?

Mais em:
Simulações Estatísticas

Fonte:
Introdução à Engenharia
Walter Antonio Bazzo
Luiz Teixeira do Vale Pereira
Editora da UFSC