As etapas de procedimento para análise com Ansys Workbench são as seguintes:
Inicia-se o Ansys Workbench e cria-se a geometria ou seleciona-se o arquivo que contém a geometria da peça ou conjunto a ser analisado.
Acessando (Engineering Data) onde se encontram os materiais definidos para o projeto e depois na biblioteca de materiais do Ansys, escolhem-se quais os materiais dentre aqueles disponíveis farão parte da análise ou cria-se um material diferente daqueles existentes atribuindo as suas propriedades.
Retorna-se a área de projeto e acessa-se no ambiente de simulação, Static Structural.
Atribui-se o material para cada uma das peças.
Aplicam-se as restrições (apoios) e carregamentos desejados nos locais adequados.
Estabelecem-se as condições de formação da malha e análise.
Neste ambiente, escolhem-se as soluções conforme o tipo de material, se dúctil ou frágil. O usuário deve manualmente, selecionar as soluções desejadas e colocar os tipos de soluções mais comuns para este tipo de material.
Soluciona-se o modelo de análise e avaliam-se os resultados obtidos. O programa pode não realizar a análise por motivos tais como: Má formação dos elementos (devido geralmente aos erros geométricos), insuficiente espaço em disco ou memória RAM e informações insuficientes para o pré-processamento que, geralmente ocorre nas condições de contorno.
Domingos F. O. Azevedo
Pré-processamento no Ansys Workbench
Pré-processamento são as definições estabelecidas antes da simulação que determinam o que será analisado e em que condição será feita a análise.
Os objetos á serem analisados, o material de cada peça, as condições de contorno e malha faz parte do pré-processamento.
Especificamente no ambiente do Static Structural para análise estrutural do software Ansys Worbench pode-se configurar a malha de várias maneiras diferentes.
Malha (Mesh)
A malha pode ser criada a partir de configurações globais ou locais.
Em detalhes da malha pode-se configurar como a malha deve ser criada e tem efeito sobre todos os corpos da análise, pois são configurações globais.
Ao clicar com botão direito do mouse sobre Mesh no menu de opções aparece Generate Mesh, que ao clicar inicia o processo de discretização conforme as configurações padrão e a peça que a princípio era contínua torna-se sub-dividida em elementos e nós. Vide figura a seguir.
Figura 50: Detalhes da malha e geração.
Para análise estrutural (Static Structural) a opção padrão em Physics Preference é Mechanical. Com esta opção em detalhes da malha as configurações especiais para melhores condições de análise. Para outros tipos de análise existem ainda Electromagnetics, CFD e Explicit. Vide figura a seguir.
Análise Estrutural com ANSYS Workbench V15
Figura 51: Geração da malha com relevância padrão (0).
A relevância padrão é zero, mas pode ser configurada de -100 (malha grosseira) até +100 (malha fina). A malha mais fina demanda mais tempo de processamento e mais recursos de memória do computador. Vide exemplos com as duas configurações extremas.
Figura 52: Geração da malha com relevância -100 e +100.
Outra configuração que pode ser realizada e válida para toda peça é a função avançada de tamanho ou dimensionamento (Use Advanced Size Function) que normalmente está desligada (Off). Vide figura a seguir.
Domingos F. O. Azevedo
As opções para Dimensionamento (Sizing) são aquelas mostradas na figura anterior, ou seja, curvatura, proximidade e fixa, sendo que curvatura e proximidade podem ser combinadas.
Quando o dimensionamento (Sizing) está habilitado pode-se configurar o Relevance Center (Centro de relevância), Smoothing (Suavização), Transition (Transição) e Span Angle Center (Centro do Ângulo de Expansão):
Relevance Center (Centro de relevância) como: Coarse (Grossa), Medium (Média) ou Fine (Fina).
Smoothing (Suavização) como: Low (Baixa), Medium (Média) ou High e (Alta). Transition (Transição) como: Fast (Rápida) ou Slow (Lenta).
E Span Angle Center (Centro do Ângulo de Expansão) Coarse (Grossa), Medium (Média) ou Fine (Fina). Se Curvature estiver habilitado pode-se especificar também o ângulo em Curvature Normal Angle. Vide figuras a seguir.
Figura 54: Configuração de Curvatura 60° (Curvature).
Após configurar Curvatura deve-se especificar o ângulo máximo de abertura do elemento junto a superfícies curvas (Span Angle Center). Vide figuras anterior e a seguir.
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Figura 55: Configuração de Curvatura 20° (Curvature).
Após configurar o dimensionamento (Sizing) para Proximidade altera-se Num Cells Across Gap com a quantidade de elementos desejada entre superfícies próximas. A configuração de proximidade permite que regiões geralmente, críticas da peça tenham mais elementos/nós sem a necessidade de aplicar numerosos controles locais de malha em peças mais complexas.
Figura 56: Configuração de Proximidade 2 (Num Cells Across Gap).
O padrão de Num Cells Across Gap são 3 elementos, mas podem ser alterados para qualquer valor positivo. Quando digitado 0 (zero) volta o padrão.
Domingos F. O. Azevedo
Figura 57: Configuração de Proximidade 5 (Num Cells Across Gap).
Em Advanced (Avançado) existem outras configurações possíveis: Shape Checking (Checagem de forma):
Standard Mechanical (análise estrutural clássica)– Tensões lineares, análise Modal e analise térmica.
Agressive Mechanical (análise estrutural)– grandes deformações e materiais com características de não linearidade.
Element Midside Nodes (Nós nas médias laterais do elemento):
O padrão é controlado pelo programa, mas pode ser configurado para Dropped (Sem nós intermediários) ou Kept (Mantidos nós intermediários).
Numbers of Retries (Número de tentativas) – se a qualidade da malha for muito pobre, o discretizador fará novas tentativas para obter malhas mais finas.
Em Mesh Morphing (Transformação da malha) – permite configurar que a malha seja gerada conforme mudanças na geometria. Vide figura a seguir.
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Figura 58: Configurações Avançadas de Malha (Advanced).
Defeaturing (Descaracterização)
Na configuração realizada em Defeaturing (Descaracterização) em Detalhes da Malha pode se remover todas as pequenas características de uma peça de uma só vez, mas que atendam a configuração estabelecida pelo analista. As opções para configuração e valores comuns são: Pinch Tolerance (Tolerância de Arranque) = 0,05mm, Generate Pinch on Refresh (Gerar Arranque na Atualização) = Yes, Automatic Mesh Based Defeaturing (Discretizar a Malha Automaticamente Baseada
na Descaracterização) = On e Defeaturing Tolerance (Tolerância de
Descaracterização) igual ou maior que a altura da característica. Vide exemplo na figura a seguir.
Domingos F. O. Azevedo
No exemplo da figura anterior a altura da característica em cruz é 0,2mm, portanto, o valor para Defeaturing Tolerance (Tolerância de Descaracterização) deve ser igual ou maior que a característica á remover.
Vide configurações globais na tabela na tabela a seguir.
Tabela 4: Tipos de configurações em detalhes da malha
Controle Valores / Opções Padrão / Tipo de especificação
Relevance
(Relevância) De -100 á +100
Padrão automático com ajuste de relevância.
Sizing (Dimensionamento)
Função avançada de
dimensionamento Padrão desligado
Centro de relevância Grossa (padrão), média e fina.
Tamanho do elemento Zero (Padrão) ou a especificar
Fonte do tamanho inicial Conjunto ativo, Completo ou peça base.
Suavização Grossa, média (padrão) e fina.
Transição Rápida (padrão) ou lenta.
Ângulo de expansão Grossa (padrão), média e fina.
Inflation (Inflação)
Uso automático de inflação
Desligado (padrão), Controlado pelo programa ou todas as faces na seleção
nomeada escolhida.
Relação de Transição 0,272 (padrão) ou qualquer valor entre
zero e 1.
Máximo de camadas 5 (padrão) ou qualquer valor maior que 1.
Taxa de crescimento 1,2 (padrão) ou entre 1 e 5.
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Controle Valores / Opções Padrão / Tipo de especificação
Opções avançadas de
visualização Não (padrão) ou Sim.
Patch Conforming Options (Opções do arranjo de conformação) Discretizador triangular de superfície
Controlado pelo programa (padrão) ou frente de avanço.
Advanced (Avançado)
Verificação de forma Padrão mecânico ou Agressivo mecânico.
Nós intermediários dos elementos
Controlado pelo programa (padrão), Verter ou manter.
Elementos em lados retos Não (padrão) ou Sim.
Número de tentativas Zero (padrão) ou qualquer valor entre -1 a
4. Tentativas extras para
conjuntos Sim (padrão) ou não.
Comportamento de corpo
rígido Dimensionalmente reduzido (Automático).
Transformação de malha Desabilitado (padrão) ou habilitado.
Defeaturing (Descaracterização)
Tolerância de Porção Definido pelo usuário
Gerar porções na atualização Não (padrão) ou Sim.
Descaracterização baseada
em malha automática Ligada (padrão) ou desligada.
Tolerância de
descaracterização Zero (padrão) ou qualquer valor maior
Statistics (Estatísticas)
Nós e elementos Quantidades
Métrica da malha
Desligada (padrão), Qualidade do elemento, Relação de aspecto e vários
outros.
Além das configurações gerais da malha podem-se acrescentar algum outro tipo de controle de malha em um local em especial e adequá-la a necessidade através de “Mesh Control” na barra de contexto.
Domingos F. O. Azevedo
São eles: Method (Método), Mesh Group (Grupo de malha – Para interface Fluído/Sólido), Sizing (Dimensionamento), Contact Sizing (Dimensionamento de Contato), Refinament (Refinamento), Mapped Face Meshing (Discretização Mapeada de Face), Match Control (Controle de Início), Pinch (Fisgar) e Inflation (Inflação).
Method (Método)
Em Method (Método) pode-se definir como a malha será criada para toda peça. No padrão Automático dependendo do formato da peça será feita uma varredura, caso contrário, Será criada uma malha conforme a região da peça com tetraedros.
Figura 60: Tipos de elementos para objetos sólidos.
Além do padrão Automático, tem-se:
Tetraedros: Patch Conforming e Patch Independent.
Com Patch Conforming a malha é criada seguindo as formas da peça. Com Patch Independent a malha é criada independente da forma na peça.
Multizone – Principalmente criada com elementos hexaédricos.
Hex Dominant – Malha criada preferencialmente com hexaedros.
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Figura 61: Opções para configuração de Method (Método).
Figura 62: Hex Dominant Method (Método com Dominância de Hexaedros).
Na figura anterior, mostram-se na peça que foram criados elementos hexaédricos grandes e pequenos e de boa qualidade, mas nem toda geometria possibilita a utilização deste tipo de elemento, portanto, foram utilizados também elementos tetraédricos, piramidais, em formato de cunha. O gráfico que aparece na mesma figura mostra a qualidade dos elementos de cada tipo. Sendo 0 (zero) os de pior qualidade e 1 (um) os de melhor qualidade.
Domingos F. O. Azevedo
Figura 63: Tetrahedrons Method (Método com Tetraedros).
Na figura anterior, a peça foi discretizada com Patch Conforming Method (Método de arranjo de conformação) configurado para elementos tetraédricos, na peça todos os elementos são deste tipo, pois estes se adaptam facilmente a qualquer tipo de contorno. Existem elementos de qualidade ruim, média e boa.
Figura 64: Patch Independent (Caminho Independente).
Na figura anterior são mostradas as etapas de criação da malha com (Patch Independent) caminho independente da forma da peça. No exemplo, toda a peça é envolvida por uma malha de tetraedros e posteriormente são aparadas as sobras no contorno do objeto.
Na figura a seguir, é mostrada uma peça do tipo adequada ao Sweep Method (Método de Varredura) com elementos hexaédricos.
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Figura 65: Sweep Method (Método com Varredura).
Figura 66: Multizone Method (Método multi - zonas).
O método de malha multi-zona, é uma técnica de arranjo articulado independente (Patch Independent), proporciona decomposição automática de geometria em regiões mapeadas (sweepable) e regiões livres. Quando o método de malha MultiZone for selecionado, todas as regiões são discretizadas com uma malha pura de hexaedros, se possível. Para lidar com casos em que uma malha hexagonal pura não será possível, podem-se ajustar suas configurações para que a malha criada seja gerada em regiões estruturadas e uma malha livre será gerada em regiões não estruturadas.
Domingos F. O. Azevedo Sizing (Dimensionamento)
Sizing (Dimensionamento) é uma configuração que pode ser realizada com duas opções, Element Size (Tamanho de elemento) e Sphere of influence (Esfera de influência).
Element Size (Tamanho de elemento) de Sizing (Dimensionamento) é uma
opção que permite definir o tamanho dos elementos para corpos, faces ou arestas. Se um corpo for selecionado o tamanho do elemento será válido para todo corpo.
Se uma aresta for selecionada pode-se estabelecer o tamanho do elemento (Edge Size – Element Size) ou número de divisões da aresta (Number of Divisions). Também é possível configurar Suave ou Forçada.
Figura 67: Sizing – Element Size (Tamanho do elemento) configuração e resultado. Se um vértice for selecionado apenas Sphere of Influence (Esfera de influência) estará disponível e se deve especificar o raio da esfera e o tamanho do elemento dentro da esfera.
Figura 68: Sizing – Sphere of Influence (Esfera de influência) configuração e
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Contact Sizing (Dimensionamento de contato)
Contact Sizing (Dimensionamento de contato) é um tipo de configuração que permite estabelecer o tamanho aproximado dos elementos na região de contato entre peças e são gerados elementos de tamanhos próximos. São válidas as regiões de contato entre face/face ou face/aresta.
Podem ser especificados Element Size ou Relevance.
Na opção Element Size deve-se especificar o tamanho ideal do elemento e em Relevance deve-se escolher um valor entre -100 (malha grosseira) e +100 (malha fina). Vide figura a seguir com a configuração 100 e +100 de Relevance.
Figura 69: Contact Sizing – Relevance (Relevância) resultado.
Refinament (Refinamento)
O Refinament (Refinamento) pode ser aplicado em vértices, arestas e faces de uma peça e o seu efeito sobre a malha inicial é sua subdivisão nas proximidades do local selecionado.
O método de refinamento geralmente oferece menos controle ou previsibilidade sobre a malha final, pois uma malha inicial é simplemente dividida. Este processo de divisão pode afetar adversamente outros controles de malha também.
O refinamento em determinada região crítica da peça pode trazer benefícios como a convergência de resultados, mas também aumenta a quantidade de nós no local e isto impõe que mais tempo de processamento e memória serão necessários do que sem o refinamento. Uma vez que o aumento da quantidade de nós da malha é apenas local pode ser bastante interessante na maioria dos casos.
Domingos F. O. Azevedo
Figura 70:Refinament (Refinamento) configuração e resultado.
No refinamento a subdivisão pode ser configurada de 1 (um) a 3 (três), no exemplo da figura anterior, a face do furo foi selecionada e refinada com 2 (dois).
Mapped Face Meshing (Discretização mapeada de face)
Mapped Face Meshing (Discretização mapeada de face) gera uma malha estruturada nas
superfícies da peça.
O mapeamento da face irá falhar se, um padrão óbvio não for reconhecido. Por este motivo, as peças deve ter simetría naquela face selecionada.
Para algumas peças a simples seleção de uma face é suficiente para o mapeamento, não havendo a necessidade de especificar vértices de referência. Nestes casos, pode-se especificar a quantidade de divisões. Vide exemplo na figura a seguir.
Figura 71: Mapped Face Meshing – (Discretização mapeada de face).
Na figura anterior, da esquerda para direita tem-se a peça não mapeada, mapeada na face superior com a divisão padrão (três divisões) e mapeada com dez divisões. Neste exemplo, não foram especificados os pontos de referência para o mapeamento.
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Figura 72: Mapped Face Meshing – (Discretização mapeada de face) com pontos.
Na figura anterior, as peças tiveram vértices selecionados e indicados por círculos em vermelho foram selecionados como “Ends” e vértices indicados pelos círculos amarelos foram selecionados como “Sides”.
Nota-se que o tipo e quantidade de vértices selecionados altera a forma da malha.
Comumente, ocorre erro na malha se a seleção de vértices não for um mapeamento óbvio.
Figura 73: Mapped Face Meshing – (Discretização mapeada de face) configuração.
A configuração para mapeamento de face na peça á direita da Figura 72 é mostrada nesta nova figura acima com a face e vértices selecionados.
Nota: A especificação de “Corners” somente é feita para cantos internos.
Pinch (Arrancar)
O recurso para arrancar “Pinch” permite remover pequenas características (tais como bordas curtas e regiões estreitas) ao nível de malha, a fim de gerar elementos de melhor qualidade em torno dessas características. O recurso para
Domingos F. O. Azevedo
arrancar “Pinch” fornece uma alternativa à topologia virtual, que funciona no nível de geometria. As duas características funcionam em conjugação um com o outro para simplificar as restrições de malha devido a pequenas características em um modelo que de outra forma tornam difícil a obtenção de uma malha satisfatória.
Quando os controles de arranque (Pinch) são definidos, as pequenas características no modelo que atendam aos critérios estabelecidos pelos controles serão "arrancados", removendo as características da malha.
Na configuração realizada em Pinch (Arrancar) para sólidos devem-se selecionar todas as arestas de contorno numa das faces que gera a característica á remover como “Master Geometry” e as arestas de contorno no limite á ser mantido como “Slave Geometry”. Em Tolerance (Tolerância) o valor deve ser igual ou maior que a altura da característica. Vide exemplo na figura a seguir.
Figura 74:Pinch (Arrancar) geometria e configuração.
No exemplo da figura anterior a altura da característica em cruz é 0,2mm, portanto, o valor para Tolerance (Tolerância) deve ser igual ou maior que a característica á remover.
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A grande vantagem deste recurso sobre o Defeaturing (Descaracterização) é que o analista pode escolher o que deseja remover dentro do próprio ambiente de análise, ou seja, sem necessidade de um programa de desenho. Embora, num programa de desenho seja, na grande maioria dos casos, mais fácil e rápido realizar este procedimento.
É importante ressaltar que as características á remover devem estar longe das regiões críticas para que não afetem os resultados de maneira significativa.
Inflation (Inflação)
O controle de Inflação é usado para criar camadas sucessivamente mais espaçadas ao longo de fronteiras escolhidas. As fronteiras devem ser arestas da peça e uma ou mais faces de referência. As arestas devem ser fronteira da face escolhida e podem ser curvas ou retas.
Figura 76: Inflation (Inflação) configuração e resultado.
O controle de inflação possui algumas opções de configuração que determinam como será o crescimento das camadas da malha.
Inflation Option (Opções de Inflação):
Pode-se configurar a transição de camadas de três maneiras diferentes: Smooth Transition (Transição suave), First Layer Thickness (Espessura da primeira
camada) e Total Thickness – (Espessura total), conforme valores inseridos em
Numbers of Layers (Número de Camadas), Growth Rate (taxa de Crescimento) e Maximum Thickness (Espessura Máxima).
Smooth Transition (Transição suave) para uma transição suave entre as camadas sucessivas.
First Layer Thickness (Espessura da primeira camada) esta opção cria camadas de inflação constantes usando o valor da primeira altura de Camada como
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referência para as outras camadas estabelecidas em “Numbers of layers”, e controla a taxa de crescimento para gerar a malha inflação. É necessário inserir o valor da espessura da primeira camada.
Total Thickness – (Espessura total) esta opção cria camadas constantes de
inflação utilizando os valores do número de camadas e a Taxa de Crescimento (Growth Rate) as controla para obter uma espessura total, tal como definido pelo valor do controle de espessura máxima “Maximum Thickness”. Vide figura a seguir.
O controle de inflação é mais usado com na análise Fluido dinâmico (CFD) e de Eletromagnetismo (EMAG). Mas pode ser usado na análise estrutural identificar concentração de tensões nas respectivas regiões.
Figura 77: Inflation (Inflação) configuração e resultado - 2.
Com uma malha de elementos de tamanho igual nas sucessivas camadas, também se tem maior quantidade de elementos e nós, e em determinada região evitam-se falsas identificações de concentrações de tensões.
Vide a seguir tabela com os tipos de configurações possíveis.
Tabela 5: Tipos de configurações da malha em Mesh Control
Opções para Malha Local de
aplicação Controle Valores / Opções
Padrão / Tipo de especificação Method (Método automático) Todos os corpos Escopo Método de escopo Seleção de geometria (padrão) ou seleção nomeada.
Geometria Peças inteiras
Definição
Suprimida Não (padrão) ou Sim.
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Opções para Malha Local de
aplicação Controle Valores / Opções
Padrão / Tipo de especificação Nós intermediários dos elementos Usar configuração global (padrão), Verter ou manter. Mesh Group (1) (Grupo de malha) Corpos ou partes Definição Apenas para
Fluido/Sólido Atribuído pelo usuário.
Sizing (Dimensionamento) Todos os corpos Escopo Método de escopo Seleção de geometria (padrão) ou seleção nomeada.
Geometria Vértices, Arestas, Faces
ou Peças inteiras.
Definição
Suprimida Não (padrão) ou Sim.
Tipo Tamanho do elemento (padrão), Número de divisões ou esfera de influência. Tamanho do elemento Padrão (0) ou qualquer tamanho maior que
zero.
Comportamento Suave ou forçado
Contact Sizing (Dimensionamento
de contato)
Conjuntos
Escopo Região de contato
Região de contato: Vértices, Arestas ou
Faces.
Definição
Suprimida Não (padrão) ou Sim.
Tipo Tamanho do elemento
(padrão) ou Relevância.
Tamanho do elemento
Usuário define qualquer tamanho maior que
zero. Refinament (Refinamento) Vértices, Arestas ou Faces
Escopo Método de escopo Seleção de geometria
Geometria Atribuído pelo usuário.
Definição
Suprimida Não (padrão) ou Sim.
Refinamento De 1 a 3 atribuído pelo
usuário. Mapped Face Meshing (Discretização mapeada de face) Faces Escopo Método de escopo Seleção de geometria (padrão) ou seleção nomeada.
Geometria Atribuído pelo usuário.
Domingos F. O. Azevedo
Opções para Malha Local de
aplicação Controle Valores / Opções
Padrão / Tipo de especificação
Restrição de
fronteira Não (padrão) ou Sim.
Avançada
Especificar lados Vértices atribuídos pelo
usuário.
Especificar cantos Vértices atribuídos pelo
usuário.
Especificar finais Vértices atribuídos pelo
usuário. Match Control (1) (Controle de Combinação) Arestas e Faces Escopo Seleção de geometria alta Arestas ou faces atribuídas pelo usuário. Seleção de
geometria baixa
Arestas ou faces atribuídas pelo usuário.
Definição
Suprimida Não (padrão) ou Sim.
Transformação Cíclica (padrão) ou
arbitrária
Eixo de rotação Sistema global de
coordenadas Controle de
mensagens Não (automático)
Pinch (Arrancar) Vértices, Arestas ou Faces Escopo Seleção de geometria mestre
Vértices, Arestas, Faces atribuídas pelo usuário. Seleção de
geometria escrava
Vértices ou Arestas, atribuídas pelo usuário.
Definição
Suprimida Não (padrão) ou Sim.
Tolerância Atribuída pelo usuário
Método de escopo Manual
Componente para arrancar características Pré (automático) ou Pós Inflation (Inflação)