Introdução à Engenharia

Edgar Brito

Modelagem e Simulação

(Técnicas e Ferramentas

Utilizadas)

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

Caixa Preta de Novo!!!

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)

Como exemplo colocou-se 3 objetos típicos do "Control Panel", botão

rotativo, interruptor, LED.

Exemplo

Estrutura de ligação do

diagrama de blocos

• As estruturas em

linguagem G são

colocadas no Block

Diagram.

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, magnéticas, 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.