Como a simulação de fluxo incorporada acelera o processo de projetos m
Como a simulação de fluxo incorporada acelera o processo de projetos mecânicos
Há décadas, engenheiros e matemáticos vêm tentando compreender e prever melhor a dinâmica de fluidos e os fenômenos de transferência de calor por meio da simulação de CFD (Computational Fluid Dynamics, Dinâmica de fluidos computacional). O objetivo é claro: otimizar o projeto de produtos e processos que envolvam fluxo de fluidos e, ao mesmo tempo, minimizar os custos, o tempo e os esforços experimentais incorridos.
Contudo, foi apenas nos últimos dez anos, mais ou menos, que a CFD conquistou ampla aceitação na área de projetos industriais, amparada por grandes reduções de custos na potência de computadores, algoritmos matemáticos aprimorados e códigos comerciais de CFD de fácil compreensão. O uso do software de CFD foi também intensificado pela transição de projetos baseados em desenhos 2D para projetos 3D utilizando modelos sólidos.
O conceito de "Gerenciamento do ciclo de vida do produto" (PLM) surgiu do desejo de agilizar a produção de projetos de engenharia simultânea por meio da reutilização dos mesmos dados 3D abrangentes ao longo de todo o processo de produção e projeto digital. Um passo fundamental na concretização dessa meta é a incorporação de resultados de simulações e análises (que descrevem modos operacionais, comportamentos estruturais/ mecânicos, comportamentos de fluxo de fluido/térmicos etc.) no processo tradicional de projeto mecânico. A abordagem atual da engenharia simultânea geralmente requer previsões sobre a viabilidade e o desempenho de um novo projeto antes que se tomem decisões importantes que afetam detalhes do projeto em questão. A simulação desempenha um papel fundamental no projeto desses tipos de produtos.
A análise mecânica e estrutural já é parte integrante do software de projeto mecânico tradicional (MCAD). Contudo, as famosas equações Navier-Stokes que governam os processos de fluxo de fluidos e de transferência de calor são inerentemente mais complexas e não lineares, o que as torna matematicamente mais difíceis de solucionar se comparadas às equações que governam a tensão mecânica e a deformação sólida. Em parte por esse motivo, as empresas desenvolvedoras do software de CFD empenharam-se mais em acelerar seus algoritmos matemáticos do que em incorporar o software no ambiente de projeto mecânico tradicional. Muitas empresas do mercado de CFD alegam manter uma integração com o software de projeto mecânico tradicional. Porém, se analisarmos atentamente, a "integração" deixa muito a desejar e não satisfaz os requisitos da engenharia simultânea totalmente integrada.
Uma nova abordagem à simulação de fluxo de fluidos se faz necessária; o resultado deve ser um software de CFD econômico e orientado a processos totalmente incorporado ao ambiente de projeto tradicional. Os resultados da simulação devem estar disponíveis tão logo ocorram alterações no ciclo de projeto; somente assim, a simulação poderá desempenhar um papel fundamental na tomada de decisão e na otimização do projeto. Portanto, quais são as características e requisitos técnicos para que o software de CFD alcance essa ambiciosa meta?
A primeira, e mais importante, é que o software de CFD deve interagir diretamente com os dados CAD 3D nativos definidos pelo software de MCAD tradicional de modo a acompanhar as constantes alterações nos projetos. Pouquíssimas das atuais ferramentas comerciais de CFD atendem a esse requisito. A maioria dos códigos de CFD, mesmo os supostamente integrados ao software de projetos mecânicos (MCAD), na verdade gera uma cópia da geometria 3D, a converte via um formato neutro, como o Parasolid ou o ACIS, e acrescenta condições de limite a fim de criar um modelo para a análise de fluxo de fluidos. Esse tipo de abordagem possui graves falhas e não consegue proporcionar simulações de fluxo totalmente incorporadas, pois o próprio ato de utilizar cópias e convertê-las gera uma "desconexão" entre o projeto mecânico tradicional e a versão da análise.
Em segundo lugar, o software de CFD deve ter a mesma "aparência" do software de projeto mecânico tradicional (MCAD) e compartilhar a mesma hierarquia da árvore de montagens etc. Dessa forma, o usuário não será obrigado a aprender um novo ambiente para operar o software de CFD e poderá se concentrar exclusivamente no problema físico que está tentando solucionar. Novamente, pouquíssimas das atuais ferramentas comerciais de CFD atendem a esse requisito. A maioria dos fornecedores optou pela alternativa de conversão devido ao custo e à complexidade para desenvolver interfaces do usuário em diferentes ambientes de desenvolvimento do software de MCAD.
Em terceiro lugar, um problema peculiar envolvendo a maioria das ferramentas de software de CFD que importam modelos sólidos está no fato de o espaço de fluxo (vazio) que deve ser usado no modelo de fluxo de fluido não existir como um "objeto" discreto no modelo original de MCAD. O método padrão usado pela maioria dos códigos de CFD para lidar com este problema é identificar e extrair todas as "cavidades" do modelo de MCAD, adicioná-las à árvore de recursos como "objetos" fictícios extras e organizá-los em grade. Essa abordagem não pode proporcionar uma simulação de fluxo totalmente incorporada, pois a consistência dos dados e os vínculos 1 a 1 com os dados CAD originais são perdidos.
Uma nova categoria de software de CFD, conhecida como Dinâmica de Fluxos de Engenharia (Engineering Fluid Dynamics, EFD), foi desenvolvida especificamente para superar os problemas aqui descritos e, dessa forma, satisfazer os requisitos em termos de simulação simultânea de fluxo totalmente integrada em ambientes de projeto MCAD 3D.
O produto SOLIDWORKS Flow Simulation utiliza dados CAD 3D nativos do SOLIDWORKS diretamente nas simulações de fluxo de fluidos, sem a necessidade de nenhuma conversão ou cópia. O SOLIDWORKS Flow Simulation incorpora uma tecnologia exclusiva conhecida como "Direct-CAD-to-CFD", um processo de software que analisa o modelo CAD, identifica automaticamente regiões fluidas e sólidas, e possibilita a definição e criação de malha de todo o espaço de fluxo sem intervenção do usuário nem acréscimo de "objetos" imaginários no modelo CAD.
Na maioria dos casos, a finalidade da simulação de fluxo de fluidos é realizar uma busca sistemática para encontrar a solução ideal para um determinado problema de projeto. Para fazer isso, o engenheiro deve simular uma grande quantidade de variações do projeto que envolva alterações nos parâmetros geométricos, bem como nas variáveis de entrada, nas temperaturas e nas condições de fluxo. Um moderno ambiente de MCAD, como o CAD 3D do SOLIDWORKS, é a plataforma ideal para isso, pois as peças e montagens já estão parametrizadas e estruturadas de uma forma semelhante ao projeto mecânico, e sendo assim, é possível executar as alterações no projeto com extrema facilidade. Para materializar esse trabalho, o modelo CAD do SOLIDWORKS armazena não apenas parâmetros geométricos, mas também parâmetros de fluxo de fluidos, temperaturas, taxas de fluxo e assim por diante.
Esses parâmetros devem ser armazenados como recursos baseados em objeto, gerenciados na árvore de recursos como outros dados baseados em objeto e usados diretamente com a finalidade de atualizar o software de simulação. O SOLIDWORKS Flow Simulation proporciona essa funcionalidade e utiliza funções de parâmetro específicas do SOLIDWORKS, como, por exemplo, configurações de projeto para dar suporte a vínculos para inúmeras variantes de projeto. Essa abordagem permite que um grande número de variações do projeto seja simulado automaticamente e de maneira econômica, com controle de quais resultados pertencem a qual modelo.
Todas as simulações de CFD requerem a criação de uma grade computacional no espaço de fluxo utilizando alguns métodos de discretização matemática, como "volume finito" ou "elemento finito". O tempo gasto na criação de grades computacionais de alta qualidade para simulações de CFD é geralmente o aspecto mais demorado do tempo total de simulação. Esse "tempo total de simulação" corresponde ao fator crítico da simulação de fluxo de fluidos com MCAD incorporado, pois, como visto anteriormente, a simulação só pode desempenhar uma função central na otimização e no processo de decisão sobre o projeto se os resultados da simulação acompanharem as alterações no projeto. Portanto, é fundamental que as simulações de fluxo com MCAD incorporado incluam um gerador de grade automático e rápido que forneça grades computacionais otimizadas de alta qualidade para simulações de fluxo sem qualquer esforço de intervenção do usuário. O pacote de produtos SOLIDWORKS Flow Simulation atende a esse requisito com a incorporação de um gerador de grade adaptável totalmente automático, que utiliza funções básicas no kernel de geometria do sistema CAD do SOLIDWORKS de modo a otimizar a grade computacional de acordo com a geometria de fluxo.
Frequentemente, os engenheiros precisam informar os resultados de simulações a colegas não pertencentes à área técnica a fim de influenciar as decisões sobre o projeto e oferecer uma base sólida de discussão. Para facilitar esse tipo de comunicação, é importante que os resultados das simulações de fluxo sejam visualizados diretamente no modelo CAD 3D dentro do ambiente MCAD. Da mesma forma, gráficos, diagramas e tabelas devem ser gerado automaticamente nos devidos programas do Microsoft Office. Para atender a esse requisito, o SOLIDWORKS Flow Simulation oferece tabelas, gráficos e relatórios integrados que exibem automaticamente os resultados da simulação nas superfícies, planos, linhas e arestas selecionados no SOLIDWORKS.
As análises de engenharia, inclusive simulações de fluxo de fluido, foram tradicionalmente executadas em departamentos de análise especializados, os quais são organizacionalmente, e às vezes comercialmente, distintos dos departamentos tradicionais de desenvolvimento e projeto. Contudo, essa segregação está desaparecendo rapidamente conforme as estratégias de PLM estão sendo implementadas com sucesso por um número crescente da principais empresas do momento. Podemos agora constatar claramente os efeitos positivos de incorporar a simulação de fluxo de fluido no ambiente MCAD tradicional.
O projetista mecânico tradicional dos nossos dias pode executar simulações de fluxo de fluido diretamente em seu próprio computador, o que aumenta drasticamente a capacidade de projetar novos produtos. Os resultados da simulação podem agora ser incorporados ao processo de projeto/desenvolvimento no lugar certo e, acima de tudo, no momento certo. Da mesma forma, os especialistas em análises ficam livres do fardo de executar tarefas rotineiras de elaboração de projetos e podem concentrar-se em realizações mais complexas voltadas exclusivamente a pesquisas e ao futuro desenvolvimento de produtos. Assim é possível explorar todo o potencial da simulação de fluxo de fluido como ferramenta de suporte à tomada de decisão e ao desenvolvimento de produtos.
PROJETO INTEGRADO E ANÁLISE NA PRÁTICA
Os exemplos demonstram como a CFD foi incorporada ao processo de projetos em várias empresas; com isso, a simulação pode produzir um efeito benéfico durante todo o ciclo de vida do projeto de produtos. O segredo para esses aprimoramentos é a disponibilidade do software de CFD, que fornece resultados diretamente dos dados de MCAD nativos.
De acordo com uma pesquisa recente, a expectativa é de que essa tendência continue. Em resposta a "qual o grau de importância da MCAD para o usuário típico de CFD", 46% afirmaram ser "extremamente importante hoje em dia" e uma impressionante maioria de 68% afirmou ser "extremamente importante no futuro". Quando os resultados são restritos a apenas usuários de CAD para projetos mecânicos, esses valores aumentaram para 52% e 74%, respectivamente. Ao serem indagadas sobre o significado de "CFD integrada com MCAD", a maioria das pessoas se decide pela opção que descreve o nível mais completo de integração: "uma solução totalmente incorporada em um único ambiente. O aspecto e o funcionamento da interface do usuário do software de CFD são idênticos ao do MCAD, e o solver CFD interage diretamente com os dados "nativos" do modelo sólido MCAD". É evidente que a tendência em usar o software de CFD em cada estágio do desenvolvimento apresenta todos os indícios de que irá aumentar.
A fabricante alemã é líder em fornecimento de soluções de acondicionamento integradas para o setor de componentes eletrônicos. A Polyrack usa a CFD para solucionar os desafios de transferência de calor relacionados aos seus projetos de acondicionamento.
Na avaliação de sistemas de análise de fluxo, a POLYRACK determinou que um pacote CAD integrado era preferível. "É melhor quando a simulação ocorre dentro do sistema CAD", enfatiza Bernd Knab, gerente de desenvolvimento. "Perde-se muito tempo quando temos que gravar dados em outro formato, pois é preciso alternar entre aplicativos, o que duplica os esforços."
Bernd Knab explica: "O SOLIDWORKS Flow Simulation aprimorou nossos esforços de desenvolvimento ao permitir que entendêssemos e resolvêssemos melhor os desafios de transferência de calor inerentes ao nosso trabalho".
Com o SOLIDWORKS Flow Simulation, a POLYRACK pode simular rapidamente o comportamento de transferência de calor em projetos de acondicionamento, e 90% deles são para aplicações especificas. Essas percepções permitem que os engenheiros da POLYRACK melhorem o desempenho de resfriamento e, ao mesmo tempo, economizem tempo e reduzam os custos.
"A capacidade de simular o efeito das características de fluxo de ar com o SOLIDWORKS Flow Simulation nos permite abordar os problemas de transferência de calor no software em vez de ter que recorrer a protótipos caros e complexos", explica Knab. "Sem os recursos de simulação, a otimização do sistema de resfriamento dessa configuração em rack com dez placas teria levado três meses ou mais. Com o SOLIDWORKS Flow Simulation, concluímos o trabalho em apenas duas semanas."
Como o SOLIDWORKS Flow Simulation está integrado ao software de projeto do SOLIDWORKS, a POLYRACK pode aproveitar as vantagens das configurações de projeto para realizar eficientemente as análises de transferência de calor em vários componentes diferentes. "Usamos as configurações para realizar simulações em cinco projetos diferentes de dissipador de calor, por exemplo, para determinar qual opção funcionará melhor", observa Knab. "Basta definir o problema uma vez e podemos realizar as cinco simulações ao mesmo tempo, o que economiza um tempo considerável."
Ao incorporar a CFD em seu software de CAD 3D, a Polyrack pôde reduzir o tempo de desenvolvimento de três meses para duas semanas, cortar dois ciclos de criação de protótipos, bem como inovar empregando novas abordagens a projetos de sistemas de resfriamento das componentes eletrônicos.
Uma divisão da IDEX Corp., a IDEX Health & Science fabrica os componentes do sistema de microfluidos de precisão, inclusive válvulas, bombas, manifolds, acessórios, injetores e sistemas de tubulação, compatíveis com sofisticados instrumentos de laboratório.
Para alcançar avanços em microfluidos, os engenheiros da empresa necessitam de acesso a ferramentas integradas de projeto e simulação. A IDEX decidiu migrar em 2001 para as soluções integradas SOLIDWORKS. "A IDEX definiu o SOLIDWORKS como padrão por ser simples de usar e facilitar o treinamento, além de oferecer ferramentas avançadas de simulação de fluxo de fluidos e estrutural com o SOLIDWORKS Simulation e o SOLIDWORKS Flow Simulation."
Cada vez mais complexos, os projetos da IDEX tornaram-se também mais dependentes do SOLIDWORKS Flow Simulation. "Muito do que fazemos seria praticamente impossível se fosse realizado manualmente", enfatiza Kevin Longley, engenheiro de projetos mecânicos. "O diâmetro da tubulação usada é de 1/32 de polegada, mas os diâmetros internos medem 0,004 polegadas. Com passagens tão estreitas assim e uma pressão tão alta impulsionando pequenos volumes de fluido pelo sistema, a simulação se torna imprescindível. Realizamos simulações de fluxo em produtos que envolvem misturas."
Ao usar as soluções SOLIDWORKS, a IDEX reduziu o seu ciclo de projeto em 50%, enquanto ganhou em inovação. Além de poupar tempo com as ferramentas de simulação SOLIDWORKS, a IDEX beneficiou-se da economia de tempo com os recursos de configuração de projetos do SOLIDWORKS, bem como do recurso de poder comparar as referidas configurações no SOLIDWORKS Flow Simulation.
"As configurações são de grande ajuda, pois nosso produto é 99% formado por componentes", destaca Longley. "A extremidade líquida de nossas válvulas é um estator. Apesar de inalterado, o corpo do estator pode ter inúmeras configurações de orifícios. Alguns têm dois orifícios; outros, até 25; e os ângulos dos furos variam bastante. Com as configurações, podemos modelar eficientemente todas as possíveis configurações desde o projeto inicial, o que economiza muito tempo."
Graças aos recursos de análise do SOLIDWORKS Simulation e do SOLIDWORKS Flow Simulation, a IDEX Health & Science pôde aprimorar a complexidade e a inovação dos projetos.
A Gaumer Process, fabricante sediada em Houston, desenvolve aquecedores de processos elétricos e está adquirindo diversas patentes para seus controles, sistemas e aquecedores de processos elétricos.
Considerando o seu profundo compromisso com a qualidade, a Gaumer Process frequentemente projetava e desenvolvia excessivamente seus aquecedores. Recentemente, porém, as demandas do mercado em relação a agilizar entregas do sistema, controlar custos, reduzir o consumo de energia e otimizar o consumo de materiais levaram a empresa a avaliar o uso da tecnologia de simulação.
A Gaumer Process usa o SOLIDWORKS Flow Simulation para melhorar o desempenho da transferência de calor. Os engenheiros da empresa acreditavam, por exemplo, que um projeto de defletor interno poderia melhorar a transferência de calor dentro dos aquecedores de processos elétricos.
Sem as ferramentas do SOLIDWORKS Simulation, os engenheiros da Gaumer provavelmente teriam buscado um projeto com defletores cruzados, teoricamente quatro vezes melhor, e entrariam em um longo processo de tentativa e erro para otimizá-lo, afirmou Craig Tiras, vice-presidente de engenharia e projeto. Esse processo teria levado três anos.
Porém, usando o SOLIDWORKS CFD e o software de análise térmica para simular a transferência de calor em uma variedade de conceitos, a Gaumer conseguiu mostrar que um projeto de defletor de policorte tem o melhor desempenho.
"Com o SOLIDWORKS Flow Simulation, conseguimos estudar e testar seis conceitos diferentes e chegar a um projeto otimizado em menos de três meses", destaca Tiras. "Eliminamos mais de dois anos de custos, economizamos US$ 100 mil em protótipos, e produzimos uma ideia patenteada para melhorar a transferência de calor. Esse é o tipo de vantagem que nos ajuda a superar a nossa concorrência".
Com o SOLIDWORKS Simulation e o SOLIDWORKS Flow Simulation, a Gaumer Process reduziu os tempos de criação de projetos e reduziu os custos de desenvolvimento dos aquecedores de processos elétricos sem perder a qualidade.
Texto extraído do documento "Como a simulação de fluxo incorporada acelera o processo de projetos mecânicos", White paper sobre o SOLIDWORKS Flow Simulation, desenvolvido pela Dassault Systemes SolidWorks e disponibilizado para os VARs da SolidWorks.