[ANSYS] Simulação de uma prancha de Kitesurf utilizando ANSYS ACP 16.1

E ai, suave?

Senta que o post de hoje é grande.

Recentemente fiz uma simulação em compósitos para dar uma brincada e ver os features que o ANSYS ACP PrePost oferece. O ACP PrePost é uma ferramenta de simulação voltada p/ materiais compósitos que pode ser encontrada no Workbench. O Workbench da Ansys é somente uma plataforma que une todas as ferramentas do Ansys na mesma GUI fazendo com que os projetos fiquem melhor organizados por meio de fluxogramas (vide imagem abaixo) onde pode-se integrar várias físicas, levando resultados de simulações CFD (computational fluid dynamics) para simulações Estruturais, por exemplo. É de conhecimento geral que numa torneira ao se passar o fluido por ela tem-se reações nas paredes. Daí a necessidade de se integrar as várias físicas. Este foi só um exemplo simples de Interação Fluido-Estrutura. Geralmente tem-se inclusive dilatação térmica e por ai vai. É um assunto infinito que pretendo tratar em posts futuros.



Voltando ao assunto: o ACP é muito bom. Leva o nome de ACP PrePost pois ele separa bonitinho as etapas da simulação - Pré-Processamento, Análise e Pós-Processamento; assim como vemos acima. No Pré-Processamento definem-se os materiais a serem simulados (em Engineering Data), geometria (onde pode-se importá-las de outros softwares CAD como SW e Catia ou fazê-las no próprio Ansys utilizando ou o DesignModeler ou o SpaceClaim), malha e o Setup. E é justamente no Setup do ACP que vemos as enormes diferenças do Ansys Clássico (o APDL) para o ACP utilizando o Workbench. Ao abrirmos o ACP Pre vemos a seguinte tela:



PRÉ-PROCESSAMENTO

Nesta etapa é fácil definir tudo. O preenchimento de tudo é muito parecido com um processo real de manufatura (escolha dos tecidos, suas espessuras, angulação de fibra, empilhamento das camadas, etc). Tudo isso é definido nesta etapa de Pré-Processamento. Em "Material Data" temos três guias: uma 'Materials' onde estão os materiais definidos previamente no Engineering Data e 'Fabrics' onde você define seus materiais de núcleo e os seus tecidos para laminação. A outra chama-se 'Stackups'. Aqui pode-se pré-definir uma sequência específica de empilhamento, facilitando na hora de definir seus 'Modeling Groups'. Na Kiteboard, por exmeplo, utilizei uma Stackup da seguinte forma:


Percebe-se a facilidade de "colocação". Define-se também a angulação de cada camada e, assim como se imagina, a primeira camada que se define é a que você coloca primeiro na hora da fabricação da peça.

Em "Element Sets" aparecem as 'Named Selections' que você dá a cada parte específica da sua peça na hora de colocar a malha. Isso facilita na hora de inputar os materiais que podem ter diferentes espessuras em cada parte da sua peça, assim como na prancha do exemplo. Em "Edge Sets" você pode definir algumas arestas para depois usá-las como referência na hora de colocar algumas "Rosettes", que servem para orientar os seus laminados. Em alguns casos você pode ter diferentes regiões da sua peça com diferentes orientações de fibra. No caso da kiteboard isso não acontece. No nosso exemplo, a orientação das fibras muda apenas no sentido do empilhamento (eixo z)!

Em "Oriented Selection Sets" você associa seus 'Element Sets' às orientações que você definiu em "Rosettes". É nessa etapa que você define as orientações de diferentes regiões da sua peça.

Em "Modeling Groups" você define exatamente como será a sua peça. No caso da prancha, já havia definido a Stackup.-45.0.+45 para facilitar a vida. A sequência de empilhamento é a seguinte: 3 camadas de Fibra de Carbono-Epóxi Unidirecional a -45º (camada mais interna), 0º e +45º (camada mais externa) => Material de Núcleo (temos 3 espessuras diferentes, uma parada cada determinado conjunto de regiões) => 3 camadas de Fibra de Carbono-Epóxi Unidirecional. Ou seja: Fibra + Espuma + Fibra. E é exatamente isso o que vemos na Árvore que está na primeira imagem. o 'ModelingGroup.1' temos a 'P1_ModelingPly.1' que tem três Plies (ou seja, é exatamente o Stackup.-45.0.+45 que defini antes - me poupou o trabalho de adicionar camada por camada nesta etapa, falando seus ângulos e etc). Depois aparecem os ModelingPlies.Core, onde nomeei-as com cada espessura. No caso da kiteboard, as regiões em azul tem 6.1 mm de espessura, as em verde tem 15.5mm e a em vermelho tem 28.5 mm. O 'ModelingGroup.2' eu adicionei caso precisasse fazer alguma alteração no modelo por precaução. Efetivamente ele não representa e nem está fazendo nada. Têm outras coisas por lá mas o principal é isso. Aí basta dar Update (clicando no raio no canto superior direito da tela) e voltar pro Workbench.

Depois de muito cuidado ao se definir tudo no ACP Pre, podemos escolher agora a análise que queremos fazer na nossa estrutura. Pode-se fazer uma Análise Modal, Static Structural, Explicit Dynamics, etc. Basta segurar e arrastar para a tela soltando em cima da parte A do fluxograma, que é o ACP Pre. O Workbench automaticamente cria as ligações. No meu caso foi feita uma análise estrutural estática. Clica-se em Setup no Static Structural e o Ansys abre o Mechanical (a versão nova; o ansys clássico seria o mechanical apdl). Lá temos algumas coisas a definir e a tela que aparece é a seguinte.



Em Geometry precisamos falar pro Ansys o material novamente e a thickness. Essa thickness eu coloquei igual a 1mm e o material dado foi o mesmo de núcleo. Isso é apenas para o programa se situar. Nada disso verdadeiramente vai ser o real. O real é o que foi definido previamento no ACP Pre. As Connections, a Mesh, Imported Plies e Named Selections foram pré-definidas na etapa inicial. Coloquei para a análise o Fixed Suport (engaste) numa extremidade da prancha e um Remote Displacement na outra. Apenas para fazer alguma análise mesmo. Considerei que o rapaz tentou dar um flip na kiteboard. Assim, coloquei apenas rotação em x e em y e deixei as translações como Free nos três eixos e Rotation Z como Free também. Quis analisar a Total Deformation. Aqui, o Ansys faz análises GLOBAIS da sua estrutura. Para verificar delaminação, falha por Tsai-Hill, Puck, Hoffman, etc apenas no ACP Post. Mandei rodar a análise, fechei e liguei o ACP Post assim como fizemos com o ACP Pre ao Static Structural.

PÓS-PROCESSAMENTO

Ao abrir o ACP Post o que vemos é o seguinte.



Aqui o importante são as Abas 'Definitions' e 'Solutions'. Na primeira definimos os critérios de falha que queremos avaliar. Clica-se com o botão direito e cria-se um Failure Criteria. No caso, defini como critérios de falha os abaixo.


Dai vamos na guia Solutions para adicionarmos o que quisermos. Eu criei 3 coisas lá: Deformation, Stress e Failure. Nesse Failure você tem que selecionar o que você está analisando na geometria (pode-se ter diferentes critérios para cada parte - um exemplo disso é caso se tenha materiais isotrópicos junto com os copósitos, ou seja, preciso de diferentes critérios de falha). Como toda a prancha é composta selecionei a geometria inteira.



Caso eu tivesse dado um check no 'Ply-Wise' conseguiria ver camada-a-camada as tensões, deformações, falhas e etc. Como queria apenas um comportamento da estrutura como um todo não dei o check. Mas fica ai a dica mesmo assim. Em alguns casos você quer verificar isso, e é possível de se fazer no Ansys. Também da pra selecionar elemento por elemento e ver as tensões nele. Conseguimos inclusive ver as matrizes de flexibilidade e rigidez (de forma normalizada e não-normalizada), gráficos de stress e strain e também, em coordenadas polares, os diferentes módulos de cisalhamento e elasticidade nos planos/direções que quiseres. Um exemplo de um elemento está abaixo.





Bom, essas são só algumas coisas que o ACP PrePost conseguem fazer por nós. Interface amiga, fácil utilização, proximidade com os processos de manufatura, solver robusto e ótimo pós-processamento. Vão tirando dúvidas a respeito do Ansys e do ACP por aqui que sempre que puder vou respondendo.

Na minha opinião (e de outros) a etapa mais burocrática é a de Pré-Processamento. Tem-se que tomar muito cuidado na hora de se colocar tudo pois os compósitos não são materiais comuns; eles são anisotrópicos. Em cada angulação se tem diferentes propriedades mecânicas. Daí todo o cuidado de se separar as etapas de análise.

Vou deixar o Report File que o ANSYS gera em .pdf aqui também caso tenham interesse. O link para baixar é esse aqui: https://www.dropbox.com/s/jenpjav0v5ikm94/Kiteboard_ReportFile_StaticStructural.pdf?dl=0

Espero que seja de utilidade e que tenha feito de uma forma que não tenha ficado muito complicado/chato!

Grande abraço!!!

Muito bom, rapaz, bem explicado! Valeu pelo post =D