O Software Computacional ANSYS

O ANSYS é um programa de simulação computacional multidisciplinar para resolver problemas de engenharia em geral, tendo sua origem na década de 1970. Sendo constantemente desenvolvido e atualizado, é uma ferramenta extremamente poderosa para a

solução de problemas de diversas naturezas. Especificamente para a parte estrutural, existem sete tipos de análises possíveis: estática, modal, harmônica, transiente, espectral, flambagem linearizada e subestruturação. A Figura A.1 apresenta os tipos de análises estruturais possíveis. Em destaque nessa figura estão as análises realizadas no desenvolvimento deste trabalho: estática e flambagem linearizada.

Figura A.1 Possibilidades de análises estruturais no ANSYS

A análise estática é realizada para a condição de carregamento estático. Aqui as análises podem ser lineares ou não lineares. As naturezas das não linearidades podem ser tanto físicas quanto geométricas. No ambiente de análise de flambagem linearizada do ANSYS, é possível calcular as cargas e os modos de flambagem de uma estrutura através de solução de um problema de autovalor. Maiores detalhes sobre esses dois tipos de análises serão fornecidos no decorrer deste anexo.

Por ser um programa tão amplo e complexo, é de fundamental importância o estudo e domínio dos conceitos de elementos finitos para que se possa utilizá-lo corretamente. Além disso, a leitura dos manuais fornecidos pelo próprio software, que estão em sua ferramenta interna chamada de ANSYS HELP, servem de guia para os procedimentos necessários na realização de simulações. Nesse local encontram-se explicações teóricas e práticas sobre as diversas possibilidades de simulações, além de conter a descrição de todos os elementos fintos disponíveis.

Entretanto, o ANSYS HELP muitas vezes é insuficiente para se obter o domínio necessário sobre o ANSYS. No presente trabalho utilizou-se também, como auxílio para o desenvolvimento das implementações computacionais, o livro The Finite Element Method and Applications in Engineering Using ANSYS (Madenci e Guven, 2006) e o trabalho de

Abreu (2016). Esse livro apresenta alguns exemplos interessantes para a análise não linear de estruturas enquanto Abreu (2016) realiza simulações de problemas lineares de contato envolvendo vigas, arcos e anéis através do ANSYS.

Nas Subseções que se seguem, A.2.1, A.2.2, e A.2.3 são apresentados o ambiente de trabalho do programa e os procedimentos necessários para iniciar uma simulação.

A.2.1 O Ambiente de Trabalho

O ambiente de trabalho do ANSYS é apresentado na Figura A.2. Nessa figura encontra-se em destaque os principais componentes do programa: Menu de Utilidades, Entrada de Dados, Atalhos, Árvore de Funções, Janela Gráfica e Janela de Saída. Uma visão geral sobre cada um desses componentes é fornecida abaixo:

 Menu de Utilidades: controle de arquivos, parâmetros, gráficos, listagem de dados e resultados, opções de plotagem e de coordenadas do modelo;

 Entrada de Dados: o ANSYS possui uma linguagem própria, todos os seus comandos podem ser inseridos diretamente nessa caixa de texto. Esses comandos podem ser visualizados em um menu de entrada de dados;

 Atalhos: contém os atalhos para os comandos mais utilizados do programa. O usuário tem a opção de adicionar ou remover atalhos de acordo com sua necessidade;

 Janela Gráfica: mostra a representação gráfica dos modelos criados. Além disso, nessa janela também são visualizados os resultados gráficos;

 Árvore de Funções: contém todas as funções do programa divididas pela fase de preparação e solução do problema (pré-processamento, processamento e pós-processamento). Todas as funções do Menu de Utilidades estão também presentes na Árvore de Funções também chamada de Menu Principal. Maiores detalhes encontram-se na Subseção A.2.2.

 Janela de Saída: recebe os comandos de saída do programa. Essa janela permanece sempre aberta posicionando-se atrás das outras, podendo ser trazida para frente quando necessário.

Figura A.2 Área de trabalho do ANSYS

A.2.2 A Árvore de Funções

A Árvore de Funções do ANSYS é, como descrita na subseção anterior, particionada de acordo com as fases de processamento do modelo a ser analisado. Essas fases encontram-se na Figura A.3: Pré-processamento, Processamento e Pós-processamento. Em cada fase especifica-se o nome das caixas de comandos correspondentes utilizadas pelo ANSYS.

Figura A.3 Fases de solução de um problema no ANSYS

Na Figura A.4 é apresentada a abertura da árvore para cada caixa de comando que são utilizadas desde o momento da criação do modelo em elementos finitos até a visualização dos seus resultados.

 o pré-processamento (caixa de comando Preprocessor) é onde ocorre a geração dos modelos: são escolhidos os elementos finitos que serão utilizados, a definição dos tipos de materiais e suas propriedades, geometria do problema e malha de elementos finitos;

 a fase de processamento (caixa de comando Solution), ou de solução do problema, é onde ocorre a aplicação das cargas e condições de apoio, define-se o tipo de análise, as estratégias de convergência e se obtém a solução do problema;

 o pós-processamento é dividido em duas caixas de comando: General Postproc e TimeHist Postpro. No General Postproc são visualizados os resultados em um determinado tempo (em análises transientes) ou para um determinado passo de carga.

Para cada tempo (ou passo de carga) são acessados os resultados relacionados a deformações, reações, momentos fletores, entre outros. Já no TimeHist Postpro os resultados são apresentados em função do tempo (em análises transientes) ou do fator de carga.

Figura A.4 Árvore de Funções do ANSYS nas fases de desenvolvimento do modelo

A.2.3 Preparação do Ambiente de Trabalho

Ao se abrir o software ANSYS, antes de iniciar a fase de pré-processamento, é necessário estabelecer o local de armazenamento dos arquivos e o nome do trabalho. Para definir o local de armazenamento dos arquivos, deve-se ir até o comando File do Menu de Utilidades e clicar em Change Directory. A pasta de trabalho é então escolhida pelo usuário;

o nome do trabalho é definindo também pelo comando File, clicando em Change Jobname (Figura A.5).

Figura A.5 Preparação do ambiente de trabalho

Agora o ambiente de trabalho está pronto para realizar todas as funções necessárias para se obter as respostas sobre o modelo que se deseja estudar. Nas seções que se seguem serão detalhados, a partir de um problema de estabilidade estrutural de coluna em contato com base elástica de Winkler, a concepção da geometria, a malha de elementos finitos, o método de solução aplicado e visualização dos resultados.