Simulação linear estrutural no Ansys Workbench
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Podemos dizer que softwares de elementos finitos são como
marcas de carros. Se compararmos uma BMW com uma Mercedes-Benz, ambos são
excelentes carros, embora algumas pessoas possam preferir a Mercedes e outras
uma BMW. Se consideramos os softwares mais famosos de elementos finitos, as
situações são comparáveis. Dessa forma, muito é questão de preferência, entretanto, alguns são realmente melhores em algumas funções e piores em outras. Essa diferença nos recursos é
tão verdadeira que muitas vezes é recomendado ter mais de uma solução de
software de elementos finitos dada as vantagens intrínsecas de cada, mesmo se
considerarmos os softwares de maior prestígio e com mais recursos (e mais
caros).
No caso do Ansys Workbench, para o artigo em questão, uma grande vantagem é que ele tem uma interface relativamente simples e intuitiva e já vem com uma série de pré-configurações para uma simulação linear. Isso não quer dizer que para realizar simulações avançadas não devemos nos preocupar e mudar essas pré-configurações, mas facilita em muito o aprendizado, porque o operador tem menos detalhes e menos funções para se preocupar no início do treinamento.
Durante o exercício será comentado as pré-configurações que o Ansys Workbench realiza e o que isso implica (o exercício foi realizado com o Ansys Workbench versão 14.0.1, mas deve funcionar perfeitamente com versões mais antigas uma vez que só foram utilizados os recursos mais básicos). Se ainda não conhece as janelas básicas do software, recomenda-se a leitura do artigo “Interface do Ansys Workbench”.
Para realizar o exercício precisaremos de alguns arquivos disponibilizados para download:
Recomenda-se baixar os arquivos e guarda-los numa pasta de fácil referência, ou mesmo na área de trabalho durante o exercício. Não se esqueça de salvar frequentemente para evitar perdas de trabalho.
No final do exercício o arquivo final da simulação e disponibilizado para download para comparação.
No caso do Ansys Workbench, para o artigo em questão, uma grande vantagem é que ele tem uma interface relativamente simples e intuitiva e já vem com uma série de pré-configurações para uma simulação linear. Isso não quer dizer que para realizar simulações avançadas não devemos nos preocupar e mudar essas pré-configurações, mas facilita em muito o aprendizado, porque o operador tem menos detalhes e menos funções para se preocupar no início do treinamento.
Durante o exercício será comentado as pré-configurações que o Ansys Workbench realiza e o que isso implica (o exercício foi realizado com o Ansys Workbench versão 14.0.1, mas deve funcionar perfeitamente com versões mais antigas uma vez que só foram utilizados os recursos mais básicos). Se ainda não conhece as janelas básicas do software, recomenda-se a leitura do artigo “Interface do Ansys Workbench”.
Para realizar o exercício precisaremos de alguns arquivos disponibilizados para download:
- Modelo geométrico. Opção no formato STEP ou Parasolid (binary/recomendado).
- Livraria de propriedades dos materiais (desnecessário se forem digitados manualmente).
- O modelo em PDF 3D está disponibilizado para fins didáticos.
Recomenda-se baixar os arquivos e guarda-los numa pasta de fácil referência, ou mesmo na área de trabalho durante o exercício. Não se esqueça de salvar frequentemente para evitar perdas de trabalho.
No final do exercício o arquivo final da simulação e disponibilizado para download para comparação.
Agora vamos ao software propriamente dito. O que será visualizado primeiro é a página de projeto. Não se preocupe se existirem algumas diferenças entre a figura mostrada e a do seu computador porque a interface sofre alterações com a versão e com configurações de usuários.
Selecione a opção “Static Structural” conforme figura ao lado. |
No campo “Young´s modulus”
(módulo de elasticidade), modifique a unidade para Mpa e digite e valor do
material conforme tabela ao lado. Cuidado porque caso você mude a unidade
depois de digitar o numero o software fará automaticamente a conversão do
valor. Pode ser que o software coloque em formato científico, dessa forma
110000 vira 1,1 e+05. Isso é perfeitamente normal e o operador não deve se
preocupar com isso. Adicione o Poisson ratio (coeficiente de Poisson) a seguir,
caso o software não aceite o número com vírgula, utiliza o número com ponto (0.4
ou 0,4 por exemplo).
Repita a operação para todos os materiais. |
Outra opção e importar as
propriedades dos materiais de um arquivo. Para isso selecione “file”, “import
engineering data” e selecione o arquivo de propriedades de materiais fornecido.
Todas as propriedades para o exercício serão importadas e devem aparecer na tela.
Quando finalizado clique no botão “return to Project”, como na figura ao lado. |
Agora no esquema do projeto clique com o
botão direito do mouse na caixa escrita "geometry". Uma janela de opções irá se abrir. Selecione import
geometry – browse e aponte para o arquivo de geometria disponibilizado. Se
estiver tudo certo aparecerá um sinal de V em verde na direita da caixa
“geometry” e um sinal de duas setas verdes na caixa de model, logo abaixo de "geometry", indicando que
esse recurso precisa ser atualizado.
Agora clique duas vezes em “model”. Isso abrirá a interface de simulação. Pode demorar um pouco após clicar devido ao processamento necessário, mas é perfeitamente normal. |
Na janela de simulação
selecione um dos corpos de geometria, na janela de detalhes do corpo selecione
material – assignment e especifique o material corresponde ao corpo desejado,
no caso titânio para o implante de corpo único. Para os demais o corpo oclusal
e o ceramic devem ser configurados como porcelana feldspática, cimento como
cimento de fosfato de zinco, infra estrutura como liga de cromo cobalto, osso
medular e cortical como os respectivos nomes.
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A partir da próxima etapa,
o tipo de seleção no modelo é importante. Pode ser alterada na barra superior e
no caso existem 4: vertente, borda, face e corpo, como na figura ao lado. Na
maioria dos casos a opção face será utilizado. Se não estiver conseguindo fazer
os exercícios verifique se o tipo de seleção está correto.
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O software automaticamente
procurou corpos próximos entre si e adicionou contatos entre eles, entretanto
esse recurso não é perfeito e alguns contatos contém erros, que devem ser corrigidos
manualmente. Agora clique no botão connections – contacts. Com o botão direito
do mouse sobre contacts selecione rename based on definition, conforme a figura
ao lado.
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Uma lista dos contatos
automaticamente criados será mostrada. Primeiro o tipo, no qual todos devem
estar como “bonded” (segundo padrões de fábrica) e segundo aparecem os nomes
dos corpos que o contato une. Caso não estejam configurados como "bonded", modifique na caixa de detalhes
no local “type”, como mostrado na figura ao lado. O software automaticamente
criou contatos do tipo “bonded”, que são contatos lineares que não permitem a
formação de espaços ou deslizamentos entre os corpos. Alterações de qualquer um
desses contato para outro tipo além do “no separation” transforma a simulação
em não linear.
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Para revisar cada contato,
clique com o botão direito do mouse sobre o primeiro contato e selecione “hide
all other bodies”. Verifique se as faces de contatos estão como deveriam estar
na vida real. Vamos demostrar um caso em que não está correto e que deve ser
corrigido.
Você pode rotacionar o modelo com o botão da roda (meio) e aproximá-lo com a roda do mouse. Pode ser que as faces estejam invertidas no seu computador, dessa forma o que for contact no exercício está designado como target. Não existe problema nenhum disso e você não deve se preocupar. |
No contato” implante corpo
único to osso cortical” existem contatos a mais atribuídos ao osso cortical. Rotacionando
o modelo podemos verificar que a face inferior do crista óssea está designada
como contato com o implante, mas na verdade essa face está em contato com o
osso medular. Uma referência é visualizar que existem 8 faces atribuídas ao
osso cortical e apenas 7 para o implante. Como um está justaposto com o outro
normalmente apresenta o mesmo número de faces. Essa referência não é 100%
precisa e em alguns casos a face de um corpo pode ter contatos com várias faces
de outro corpo, como uma mesa com quatro pernas (4 faces) em contato com o chão
(1 face). Também podem ocorrer pequenas distorções no modelo durante a tradução
entre o software CAD e o software de elementos finitos que ocasionam diferença no numero de faces.
Pela simulação ser linear, mesmo que não se corrija erros de contato como esse, ela fornecerá um resultado, entretanto esses resultados são distorcidos e cuidado especial deve ser realizado na conferência dos contatos. |
As faces atribuídas ao osso
cortical ficarão marcadas de verde ao invés de vermelho, mantendo pressionado o
botão ctrl do teclado clique na face erroneamente designada e ela ficará em
vermelho, depois clique em apply na região onde estava escrito “8 faces”. Se a
operação foi realizada corretamente, agora deverá ter 7 faces no “contact” e 7
faces no “target”.
Repita essa operação com todos os contatos que tiverem problema. Por padrões de fábrica, os contatos: “ceramic to infra estrutura”, “osso medular to implante corpo único” e “osso cortical to implante corpo único” apresentam configuração de contato que devem ser ajustadas. |
Caso a operação não de certo ou
algum erro foi cometido você pode apagar o contato e depois pressionando o
botão direito do mouse em cima de “contacts” selecionar o comando “create
automatic connections” que irá refazer o contato. Não desanime se essa parte
estiver sendo complexa para você que é normal, principalmente para quem não
está acostumado com uma interface como a do Ansys Workbench. Caso ainda esteja
tendo problemas após 3 tentativas, continue com o exercício e volte depois para
o ajuste dos contatos. Não faz diferença a ordem das etapas no pre
processamento.
Repita a correção do contato com todos os que tiverem problema. Por padrões de fábrica, os contatos: “ceramic to infra estrutura”, “osso medular to implante corpo único” e “osso cortical to implante corpo único” apresentam configuração de contato que devem ser ajustadas. |
Agora o item seguinte são as
configurações de malha. Não iremos entrar em detalhes neste artigo, mas é importante
saber que a qualidade da malha está diretamente relacionada à qualidade de um
resultado de uma simulação. Clique com o botão direito do mouse em “mesh” e
selecione “generate mesh”. O software automaticamente escolhera um tipo de elemento adequado para a análise (tetraedros solid187). Após um tempo de processamento variável o modelo
deverá estar discretizado (malhado). Não devem ocorrer problemas se as configurações de fábrica não forem alteradas.
Verifique como o modelo agora está com a superfície com triângulos, indicando uma das faces dos tetraedros que constituem a malha. |
Agora selecionaremos as faces onde
serão adicionados suportes fixos ao modelo. No caso as paredes laterais do
osso. Clique na opção fixed support que surgiu com o comando anterior e no quadro de detalhes clique em geometry, como a figura ao lado. Caso não estejam
aparecendo todos os corpos selecione a opção “show all bodies” clicando com o
botão direito do base no plano de fundo ao redor do modelo.
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Vai aparecer as opções de “apply”
ou “cancel”. Clique na face lateral do osso medular e depois deixando
pressionado a tecla ctrl do teclado, clique na lateral do osso cortical. Agora
rotacione o modelo (clicando no botão do meio do mouse e arrastando o modelo e
selecione as faces do outro lado, como a figura ao lado, e depois clique em
“apply”. Não esqueça de pressionar ctrl no teclado quando for selecionar as
faces do outro lado para não perder as seleções anteriores. Se tudo for feito
corretamente o resultado deve ser como a figura ao lado. Caso contrário repita
a operação.
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Clique em magnitude e digite 100
N (ou 10000000 dyne se preferir). Caso a unidade não esteja em Newton isso pode
ser alterado no menu superior, onde está escrito “units”. Depois clique em
“Direction”. O software pré-selecionou para que a carga tenha direção superior,
clique na seta preta que apreceu na área de modelo para inverter a direção e
depois clique em apply. Se foi realizado corretamente a seta deverá estar
indicando para baixo quando selecionado a opção force.
Caso acidentalmente selecione outra face no recurso direction, essa será usada como base para a direção da carga. |
Nesse
momento todas as configurações de pré processamento foram realizadas.
Clique em “file” na barra superior direita e selecione “save project” para segurança. Temos duas opções, pressionar a opção “solve” (resolver a simulação) ou colocar algumas opções de resultados e depois utilizar o recurso “solve”. Com o botão direito do mouse clique em “solution (A6)”, e selecione as opções insert: strain/equivalent, stress/equivalent e stress/maximum principal como exemplos. |
Em cada opção que apareceu,
clique na opção “geometry”, selecione o modo de seleção de corpos na barra
superior e selecione o osso cortical e medular para os resultados. Para
selecionar ambos a tecla ctrl do teclado deve estar pressionada. Após cada
seleção clicar em apply.
Após um tempo variável dependendo do computador utilizado o modelo será resolvido, faltando agora revisar os resultados. Caso o Ansys esteja configurado com um servidor de cálculo, pode ser necessário clicar com o botão direito do mouse na opção "solution" e selecionar “get result”. |
Se tudo estiver correto o modelo deve ser como o apresentado para download no link abaixo (Ansys 14.0.1 ou superior). Está compactado em formato zip, e deve ser inteiramente descompactado para utilização.
exercicio_linear_com_soluo.zip | |
File Size: | 80149 kb |
File Type: | zip |
Considerações finais
Com esse exercício o operador deve ser capaz de aprender os passos básicos para configurar uma simulação estrutural de elementos finitos.
Dúvidas ou sugestões são bem vindas. Por favor utilize a seção de contato ou de atualizações
Dúvidas ou sugestões são bem vindas. Por favor utilize a seção de contato ou de atualizações