O software OPERA-3D Cobham é um simulador de elementos finitos para representação de campos elétricos e magnéticos e circuitos associados. Por poder gerar diversas geometrias e representar uma ampla gama de tipos de bobinas é adequado para modelar as diversas aplicações de CP. Podemos citar o suporte nos projetos de componentes ou sondas e na qualificação de procedimentos de inspeção em diversos segmentos industriais. Como regra, é sempre importante confirmar a validade dos resultados das simulações OPERA comparando com testes experimentais [33, 34].
O pacote de software OPERA oferece facilidade para projetos eletromagnéticos combinado com recursos multifísicos. Ele consiste em um poderoso Modelador 2D / 3D para criar modelos (ou importar a partir de CAD) e utilizar ferramentas especializadas de simulação de elementos finitos que cobrem várias áreas técnica, tais como:
- Campos eletromagnéticos estáticos
- Campos eletromagnéticos de baixa e alta frequência variando tempo - Análise térmica e de estresse
A estrutura básica do programa pode ser visualizada na figura 2.14, que ilustra as principais etapas do processo: modelagem, pré-processamento, módulo de solução e pós- processamento [33].
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. Figura 2.14 - Estrutura básica com as etapas no OPERA [33].
De uma forma geral as metodologias de simulação computacional resultam na necessidade de uma realimentação dos resultados para otimização do processo. A figura 2.15 ilustra esquematicamente este fluxo no OPERA, indicando nas fases do processo algumas ações típicas. Inicialmente são criadas as geometrias e malhas, além de serem informadas as propriedades dos materiais. O módulo de solução organiza os dados, resolve as equações e prepara os arquivos dos resultados. Na etapa de pós-processamento são gerados relatórios cálculos e gráficos para facilitar a interpretação e avaliação dos resultados. O pós-processador OPERA-3D proporciona facilidades necessárias para cálculo de campos eletromagnéticos podendo calcular e exibir muitas grandezas derivadas e traçar trajetórias de partículas através os campos calculados [33, 34].
Figura 2.15 - Processo de realimentação para otimização no OPERA [33].
Na maioria dos casos, o simulador OPERA é utilizado para representar inspeções de materiais não ferro magnéticos, nos quais a relação de B com a força do campo magnético (H) é linear, isto é:
𝐵 = 𝜇 𝜇 𝐻 Equação 2.3
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µ
r é a permeabilidade magnética relativa do componente e é efetivamente constanteµ
0 é a permeabilidade magnética do espaço livreEssa linearidade tem como consequência que os campos magnéticos (B) e elétricos (E) no componente possuem uma dependência com o tempo, que é a mesma da corrente nas bobinas de CP. Isto é:
𝐵(𝑡), 𝐸(𝑡) ∝ cos(2𝜋𝑓𝑡) Equação 2.4
Onde f é a frequência da corrente de excitação da bobina.
Isso significa que a dependência explícita do tempo das variáveis de campo não precisa ser modelada, o que permite ser possível uma solução quase estável (apenas dependente do espaço), reduzindo significativamente o tempo de simulação em relação a uma solução a inteiramente dependente do tempo [33, 34].
Para avaliações de CP o modulo de solução ELEKTRA é o mais indicado, pois permite a análise de campos com variação temporal, a partir da solução da equação do VPM. O ELEKTRA analisa campos eletromagnéticos dependentes do tempo, incluindo os efeitos das CP em três dimensões. A equação resolvida utilizada entre cada par de pontos da malha gerada pode ser obtida da equação:
𝐸 = −𝜕𝐴
𝜕𝑡 − ∇𝑉 Equação 2.5
Onde:
A = Vetor Potencial Magnético E= Força do Campo Elétrico V = Potencial Elétrico Escalar
Um modelo de simulação de CP no OPERA sempre compreende um componente, uma ou mais bobinas de CP e um campo de vizinhança de fundo. A geometria do componente é criada pela combinação de formas geométricas simples (caixas, cilindros, etc.). Os recursos geométricos mais complexos podem ser obtidos especificando uma superfície e um caminho ao longo do qual ele deve ser varrido para definir um volume. As sondas são representadas pela modelagem das bobinas constitutivas. Diversos tipos de formatos de bobina podem ser modelados, sendo as mais usuais as bobinas solenoidais. Cada material do componente é especificado pela sua condutividade elétrica e
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permeabilidade magnética relativa. Os valores podem ser especificados ao longo de cada um dos eixos cartesianos, permitindo a representação de materiais anisotrópicos [33, 34]. Em relação a modelagem, as especificações do elemento no OPERA oferecem um poderoso mecanismo de malhagem que produz elementos tetraédricos e em forma de prisma. A discretização pelo MEF forma a base dos métodos utilizados nestes programas de análise. Esta técnica extensamente aplicável para a solução de equações diferenciais parciais requer melhorias especiais para torná-lo aplicável aos cálculos de campos eletromagnéticos. O acesso a estes recursos é suportado pelo Modeller Geometric OPERA-3D e pelo pré-processador que oferecem facilidades para a criação de modelos de elementos finitos.
Normalmente o tamanho máximo do elemento é especificado em sub-volumes do modelo, embora também garanta que as dimensões dos elementos sejam suficientemente finas para capturar os detalhes geométricos do modelo e grandes variações nas variáveis de campo. Os elementos criados pelo OPERA variam suavemente entre tamanhos definidos pelo usuário nos sub-volumes. Desta forma, os elementos são finos o bastante para descrever os detalhes, mas o mínimo necessário para otimizar o tempo da computação [33, 34].
As condições de contorno no campo elétrico ou de B devem ser definidas em superfícies externas para completar a simulação, sendo as mais comuns as que estabelecem que estes sejam normais ou paralelos a uma superfície externa. No caso de modelos efetivamente simétricos, o tempo de simulação pode ser significativamente reduzido modelando apenas uma fração (simétrica) do modelo e impondo condições de contorno elétricas normais na superfície cortada.
Após a simulação e o pós processamento dos sinais o OPERA permite obter os valores de ∆R e ∆XL de cada ponto simulado, que podem ser plotados ao longo da
varredura do tubo e na construção do plano de impedância plotando como coordenada o valor de ∆R e como abcissa o valor de ∆ XL de cada ponto simulado. Também pode ser
obtido para cada ponto simulados a variação dos valores da densidade de corrente superficial J, densidade de campo magnético superficial B e outras grandezas vetoriais. Como veremos mais adiante na apresentação dos resultados simulados a comparação dos valores de J e H são de extrema importância na avaliação dos sinais de CP das descontinuidades e dos efeitos geométricos [33, 34].
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