FEA / Finite Element Analysis

Análise de elementos finitos (FEA) é a modelagem de produtos e de sistemas em um ambiente virtual, com o objetivo de localizar e solucionar problemas potenciais (ou existentes) de desempenho estrutural. FEA é a aplicação prática do método de elementos finitos (FEM), que é usado por engenheiros e cientistas para modelar matematicamente e resolver numericamente problemas de multifísica muito complexos estruturais e fluidos. O software FEA pode ser usado em uma ampla variedade de setores, mas é mais comumente usado no setor aeronáutico, biomecânico e automotivo.

Um modelo de elementos finitos (FE) abrange um sistema de pontos chamados nós, que dão forma ao projeto. Conectado a esses nós estão os próprios elementos finitos que formam a malha de elementos finitos e contêm o material e as propriedades estruturais do modelo, definindo a forma como reagirão a determinadas condições. A densidade da malha de elementos finitos pode variar ao longo de todo o material, dependendo da alteração prevista em níveis de estresse de uma determinada área. Regiões que sofrem grandes alterações no estresse geralmente exigem uma maior densidade de malha do que aqueles que passam por pouco ou nenhum estresse. Os pontos de interesse podem incluir pontos de fratura do material previamente testado, filetes, cantos, detalhes complexos e áreas de alto estresse.

Os modelos de FE podem ser criados usando elementos unidimensional (feixe 1D), bidimensional (shell 2D) ou tridimensional (sólido 3D). Usando vigas e reservatórios em vez de elementos sólidos, um modelo representativo pode ser criado usando menos nós sem comprometer a precisão. Cada esquema de modelagem exige um intervalo diferente de propriedades a serem definidas como:

  • Áreas de seção
  • Momentos de inércia
  • Constante de torção
  • Espessura da chapa
  • Rigidez em flexão
  • Cisalhamento transversal

Para simular os efeitos de ambientes de trabalho do mundo real em diferentes tipos de carga FEA, vários tipos de carga podem ser aplicados ao modelo FE, incluindo:

  • Nodal: forças, momentos, deslocamentos, velocidades, acelerações, temperatura e fluxo de calor
  • Elementar: carga distribuída, pressão, temperatura e fluxo de calor
  • Cargas de corpo de aceleração (gravidade)

Tipos de análise incluem:

  • Estática linear: análise linear com cargas aplicadas e restrições que são estáticas
  • Estática e dinâmica não linear: efeitos devido ao contato (onde uma parte do modelo entra em contato com outro material não linear), definições de material não linear (plasticidade, elasticidade, etc) e grande deslocamento (tensões que excedem os limites da teoria de pequeno deslocamento que limita uma abordagem de análise linear)
  • Modos normais: freqüências naturais de vibração
  • Resposta dinâmica: cargas ou propostas que variam com o tempo e a freqüência
  • Flambagem: cargas críticas em que uma estrutura se torna instável
  • Transferência de calor: condução, radiação e mudança de fase

Os resultados típicos calculados pelo solver incluem:

  • Deslocamentos nodais, velocidades e acelerações
  • Forças elementares, tensões e estresses

Benefícios do CAE

O FEA pode ser usado no novo projeto de produto ou aperfeiçoar um produto existente, para assegurar que o projeto terá um desempenho de acordo com as especificações antes de fabricação. Com o FEA, você pode:

  • Prever e melhorar o desempenho e a confiabilidade do produto
  • Reduzir a prototipagem e testes físicos
  • Avaliar diferentes desenhos e materiais
  • Otimizar os projetos e reduzir o uso de material

Software FEA

Aqui estão os exemplos dos aplicativos de software de FEA:

O Simcenter 3D é um ambiente unificado, escalonável, aberto e extensível para FEA com conexões para projeto, simulação 1D, teste e gerenciamento de dados. O Simcenter acelera o processo de FEA combinando a melhor edição de geometria da categoria, modelagem de simulação associativa e soluções multidisciplinares integradas ao conhecimento de indústria. O Simcenter 3D integra solvers rápidos e precisos que capacitam análises estruturais, acústicas, de fluxo, térmicas, de movimento e de compostos, bem como simulação multifísica e de otimização.

O NX Nastran é um solver de elementos finitos que analisa estresse, vibração, falha/durabilidade estrutural, transferência de calor, ruído/acústica e agitação/aeroelasticidade.

O LMS Samtech contém um conjunto de solver de método de elementos finitos (FEM) para simular atributos de engenharia de desempenho crítico para sistemas mecânicos. Foi desenvolvido para atender aos requisitos precisos de aplicações como desenvolvimento de turbina de vento, dinâmica do rotor, análise estrutural e térmico, e compostos. Seus solvers de alto nível tratam tanto da simulação FEM não-linear quanto de vários corpos. O software também apresenta uma plataforma de integração de CAE de alto nível para gerenciamento do processo de engenharia de aviação.

STAR-CCM+ is a stand-alone simulation solution for computational fluid dynamics (CFD), computational solid mechanics (CSM), heat transfer, particle dynamics, reacting flow, electrochemistry, electromagnetics, acoustics and rheology. STAR-CCM+ delivers accurate and efficient simulation technologies through a single integrated user interface and automated workflows. This facilitates the analysis and exploration of complex real-world problems.

HEEDS provides an efficient and easy to use design exploration framework. Workflows are easily automated through integration with your current design and simulation tools. HEEDS automatically explores the design space to quickly identify solutions that meet your goals and constraints such as reducing product costs while keeping stresses below acceptable limits.

O Femap é um pré e pós-processador independente de CAD, solver neutro, nativo do Windows para FEA de engenharia avançada. Ele fornece a engenheiros e analistas uma solução de modelagem FEA para gerenciar até mesmo as tarefas mais complexas com facilidade, precisão e por um preço acessível.

O Solid Edge Simulation é uma ferramenta de FEA integrada para engenheiros de projeto validarem projetos de peças e montagens digitalmente dentro do ambiente Solid Edge. Baseado na comprovada tecnologia de modelagem de elemento finito Femap, o Solid Edge Simulation reduz significativamente a necessidade de protótipos físicos, reduzindo os custos de teste e de material e poupando tempo de projeto.

The following software components are used by FEA software developers as the foundation for their applications:

O Parasolid é um software componente de modelagem geométrica 3D, permitindo aos usuários dos produtos baseados no Parasolid modelar peças e montagens complexas. É usado como mecanismo de geometria de centenas de diferentes aplicativos de CAD, CAM e CAE.

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