Capítulo 3 - Cosmos

A organização do Cosmos, se dá na mesma forma, janela e emprego do solidworks, já que esta é uma ferramenta do mesmo.

Como os princípios básicos do solidworks, já foram apresentados nos capítulos anteriores, vamos entrar direto na definições do Cosmos propriamente dito.A Árvore de organização COSMOSWorksA árvore de organização do Cosmos organiza a análise de estudos. Através de sua intuitiva representação e menus, a árvore, é altamente usada na administração e criação de projetos.

O COSMOSWorks cria uma pasta nesta árvore para cada estudo. Subpastas definem os parâmetros de estudo. Por exemplo, em um estudo estrutural, ha uma subpasta Carregamentos/Resistências (Load/Restraint). Cada resistência e condição de carregamento está representada por um ícone nesta subpasta. Um clique com o botão direito do mouse nestes menus provém opções sensitivas ao contexto. Clicar e arrastar, copiar e colar ajudam a definir os estudos rapidamente.

Todos as propriedades ficam dispostas na própria janela de propriedades ao invés de caixas de diálogo, de maneira gráfica.Há na árvore de organização do COSMOSWorks as seguintes ferramentas:

O Ícone é usado quando há dados numéricos a serem mostrados. Cada estudo é representado por uma pasta e subpasta na árvore. As subpastas dependem do tipo de estudo. COSMOSWorks coloca um ícone específico para cada tipo de estudo.

Tipo de Estudo

Ícone

Estatico Frequencia Ondas Térmico Optimização Não Linear Queda     Fadiga

Depois de realizado o estudo, COSMOSWorks cria uma subpasta  na árvore. a Subpasta depende do tipo de estudo.

O uso do COSMOSWorks, para a análise de modelos, não é uma tarefa simples devido a gama de variáveis e possibilidades existentes. O objetivo principal desta apostila é reunir as informações primordiais e dar base para um possível desenvolvimento da habilidade de se trabalhar com o COSMOSWorks

Análise de tensão linear de um modelo simples:

O objetivo deste capítulo é:

● Usar a interface COSMOSWorks● Atribuir um material a uma parte específica ou o todo modelo ou

protótipo.● Modificar as características de um material● Cria um estudo de análise estática● Aplicar restrições e carregamentos de Pressão● Modificar as opções da malha e discutir sua influência nos resultados● Executar o Estudo● Analisar e verificar os resultados

É pré-requisito deste capítulo o conhecimento de como se obter uma peça ou modelo no SolidWorks.

Projeto:Uma placa de aço é segura e suporta uma força de 10000N como mostra a figura, o carregamento é uniformemente distribuído.

Fig 01 – Imagem mostrando a face fixa e onde haverá carregamento

As dimensões para a excussão da peça são mostradas na figura abaixo.

Fig 02 – Dimensões.

Antes de começarmos, porém, precisamos ter certeza que o COSMOSWorks está devidamente carregado no SolidWorks, a aba COSMOSWorks, deverá estar carregada como mostra a figurasenão devemos carregar.

Para carregar basta clicar no menu Tools e em seguida Add-ins

Fig 04 – imagem mostrando a posição dos add-ins

✔ Para criar um MEF, usaremos todos os recursos visuais do COSMOSWorks, através dos ícones e figuras, no entanto se preferir, estes comandos poderão ser carregados através dos menus. Nossa primeira função, no entanto, será usada a partir do menu.

Para carregar o menu COSMOSWorks, simplesmente selecione o item de mesmo nome no menu superior e será apresentando uma tela como da figura abaixo

Fig 05 Seleção do COSMOSWorks

Antes de executar qualquer análise do modelo devemos conferir se as preferências (OPTIONS), estão de acordo com nossas necessidades, assim, iremos selecionar a opção OPTIONS do menu COSMOSWorks.Ao selecionar, uma janela aparece como mostrado na figura.

Fig 06 – Selecionando as preferências.

Nesta janela todas as opções para a personalização, elas são divididas em abas, e a cada aba gerencia suas opções. Iremos nos ater a aba Default Options, referente as opções padrão, nela encontramos a opção UNITS, (unidades), iremos conferir se as unidades estão no SI, senão, iremos coloca-las neste sistema. Antes de prosseguir, porém, procure ver outras abas e opções a fim de se familiarizar com as preferências possíveis.

A criação de um modelo usando MEF sempre inicia com a definição de um estudo. Para definir um estudo., você pode clicar com o botão direito do mouse no ícone “Parte do modelo”, na janela de gerenciamento do COSMOSWorks, e selecionar STUDY.

A figura abaixo, mostra as seqüências para se chegar no estudo, neste exercício usaremos o estudo do tipo estático, e o tipo de malha é Sólida.

Pode-se controlar o sstributos como nome do estudo normalmente como qualquer ítem do ambiente windows.

Automaticamente quando se cria um estudo o COSMOSWorks, cria uma pasta nomeada com o nome do estudo, e coloca vários ícones em sua ramificação. Cada ícone representará uma característica do estudo que poderá ser modificada

✔ note que alguns ícones possuem, sub-ramificações.

Fig 07 – Seqüência para se encontrar a tela dos estudos. A seta vermelha indica o estudo que iremos executar.

Agora nós estaremos prontos para prosseguir com o modelo matemático. Iremos fazer as seguintes etapas:

● Preparação da geometria● Atribuição de materiais● Aplicação de restrições ● Aplicação de carregamentos

Em nosso caso a preparação da geometria não necessitará ser modificada. No entanto em se tratando de um estudo mais complexo, a variação da geometria em detrimento ao comportamento do material na maioria das vezes é desejada.

✔ Devemos lembrar que toda vez que um parâmetro for alterado o estudo deverá ser rodado novamente.

Iremos iniciar definindo as características do material que será atribuído ao modelo.

Há dois modos de se atribuir um material ao modelo:

● Clicar com o botão direito do mouse na pasta sólido● Clicar com o botão direito do mouse nas partes que compõem o sólido

localizadas dentro da pasta o sólido

✔ Note que o primeiro modo atribuirá o material para todo o modelo, e a segunda poderá trabalhar características seletivas de material.

Fig 08 – Aparência do gerenciador depois de escolhido o estudo.

Agora vamos clicar com o botão direito do mouse sobre a pasta do sólido (ICONE) e então escolher “Apply material to all” Esta ação faz aparecer a janela que é mostrada na figura abaixo.

Fig 09 – Aplicando material em toda a peça

Nesta janela podemos ver todas as características que são variáveis do metareial bem como a biblioteca de materiais (que é escolhida na parte esquerda da janela), podemos criar bibliotecas próprias com atributos próprios ao material.

Fig 10 – Janela de aplicação do material

Selecione Alloy Steel na área de escolha de material, selecione o sistema de medidas SI, por fim clique OK

✔ Note que a pasta do Sólido, agora mostra uma marca de confirmação indicando que o material foi propriamente atribuído.

Fig 11 – Material confirmado

Observamos que a atribuição do material a uma parte é feita em duas etapas:

● Seleção da parte ou modelo em que se deseja atribuir o material● Seleção do material na janela de materiais.

Eventualmente há outra etapa anterior que é a definição da biblioteca ou material com características diferentes das existentes no COSMOSWorks.

A seguinte etapa consiste na atribuição dos carregamentos e restrições.

Para mostrar um pop-up com as possibilidade de carregamentos para este tipo de estudo (Análise estática), basta clicar com o botão direito no ícone, Carregamento/Restrições (Load/restraint).

As setas indicam quais iremos usar para nosso exercício.

Para definir que restrições iremos usar em nosso exercício selecione Restraints

A figura abaixo mostra como será a aparência da janela mostrada.

Agora um conceito muito importante para a atribuição dos valores em todo o COSMOSWorks, a janela mostra áreas para a seleção das diversas forças e variáveis de atuação dos carregamentos e restrições.

Fig 12 – Carregamentos e restrições

✔ Deve-se sempre clicar nesta área e selecionar A entidade (elemento, face, plano, aresta, eixo, etc), que é onde a força, carregamento ou restrição deverá ser estabelecida.

Nesta janela é possível, rotacionar, ampliar, mover a peça normalmente como a interface SolidWorks proporciona, e selecionar a face onde estará a restrição. Para esta seleção não se esqueça de clicar na área, “Selected Etities” e em seguinda clicar na face como mostra a figura.

Fig 13 – Aparência da janela de restrição

Na área “Type”, Selecionamos o tipo de restrição, estas restrições em geral podem ser aplicadas a face, cantos e vértices, nos iremos definir a restrição “Fixed”. Entretanto, para se compreender completamente as funcionalidades das restrições, a tabela abaixo mostra os diversos usos para as diversas restrições.

Tipo de restrição Definição

Fixed Definido com um suporte rígido, esta restrição faz com que todos os graus de liberdade de translação e rotação fiquem restringidos.Note que este tipo de restrição não implica outras informações como a direção ao qual esta restrição será aplicada

Imóvel Todos os translacionais graus de liberdade estão restringidos enquanto que a rotação está liberada.Em casos onde os sólidos completos são selecionados a restrição imóvel e fixed, possuem a mesma funcionalidade

Referene plane or axis Este tipo de restrição restringe uma face plano ou vértice, somente a uma certa direção deixando outras direções livres a se moverem. Você pode especificar a direção desejada em relação ao plano ou eixo de referência

On face plate Esta opção provê restrições em direções selecionadas, que são definidas pelas três principais direções na face onde as restrições são aplicadas.Este tipo de restrição oferece um meio muito eficiente em se aplicar condições de limite de simetria.

On Culindriacal Face Similar a opção anterior exceto por as três principais direções serem de referência cilíndrica. Muito útil quando se quer ter um suporte a rotação sobre eixo relacionado a uma face cilíndrica

On Spherical Face Similar a opção anterior exceto por as três principais direções serem de referência esférica.

Tendo então definido a restrição, nós temos um modelo fixo por uma das extremidades no espaço, entretanto, nenhuma modificação acontecerá se houver alguma força atuante proporcionando deformação.

Note que assim que definimos a restrição símbolos são aplicados ao modelo mostrando a face restringida, e um ícone estará definido na pasta do modelo na árvore de gerenciamento COSMOSWorks. Esse símbolos podem ficar ocultos

clicando-se com o botão direito do mouse sobre os símbolos e escolhendo a função apropriada.

Fig 14 – Aparência das restrições

Depois de aplicada a restrição, aplicaremos os carregamentos, em nossa exemplo será uma força normal aplicada na face paralela onde está a restrição de modo a haver um estiramento do modelo.Para aplicar esta força usaremos o mesmo procedimento usado para impor as restrições. Assim, clicaremos com o botão direito do mouse na pasta referente ao modelo, e selecionaremos Force, dom menu pop-up, isto resultará em uma janela como a mostrada abaixo.

Fig 15 – Iniciando o carregamento da força

✔ Observe que a janela apresenta opções referentes ao carregamento Force, assim, cada tipo de carregamento para cada tipo de estudo se apresentará de modo diferente.

Na área “tipo”, selecione Apply normal force, para o carregamento da força, iremos carregar com 100000N al longo da face como mostra a figura. Note que a força deverá ser de expansão e não de contração então deveremos fazer como o proposto.

Fig 16 - Atribuindo o Carregamento de Força. Note que todos os parâmetros desta janela já estão configurados como o exercício pede.

Geralmente as forças podem ser aplicados a face, planos, arestas e cantos, usando diferentes métodos como os vistos abaixo:

Tipo de Força Definição

Apply Force/moment Esta opção aplica força ou momento a uma face, canto ou aresta com uma direção definida por uma referência geométrica. Você pode selecionar a entidade geométrica onde será aplicada a força antes de abrir a janela força

Apply Normal Force Diponível apenas para faces. Esta opção aplica uma força norlam a face selecionada.

Apply torque Melhor usado em faces cilíndricas, esta opção aplica um torque em referência a um eixo também estabelecido, esta opção usa como referência de direção a “regra da mão direita”.

A presença de carregamentos é também representada por setas características, e é criado um ícone referente na pasta do estudo.

Agora iremos aplicar o estudo do modelo matemático.

O próximo passo será a definição da malha para o modelamento por elementos finitos.

Para abrir o menu pop-up de malha , de um clique com o botão direito sobre o ícone em questão e uma janela com esta aparência aparecerá:

Fig 17 – menu para a definição da malha

No pop-up selecione Create Mesh... para abrir a janela de malha. Esta janela oferece as opções referentes a malha como por exemplo o tamanho dos elementos e tolerância. No nosso exemplo iremos, além de executar o estudo, verificar o impacto das propriedades de malha no estudo. Isto é uma importante característica de qualquer software de Elementos Finitos. Como parte de aprendizado iremos usar três definições de malha em três diferentes simulações.

Iremos criar a diferença nos resultados baseando-se nas mudanças de características como mostra a figura abaixo.

Fig 18 – Janela de malha mostrando os diferentes valores quando se altera o fator da malha.

✔ A densidade média é parâmetro básico do COSMOSWorks

Um tamanho de elemento de 3,60mm e tolerância de 0,180 são padrões estabelecidos pelo software. Este tamanho é uma característica de uma malha padrão como mostrada na figura 19.

Fig 19 – Elemento do COSMOSWorks

✔ Note que o elemento é definido por uma esfera circunscrita no tetraedro. E h é a representação do diâmetro da esfera.

A densidade da malha tem um impacto muito importante, na precisão dos resultados. Quanto menor os elementos menor a discretização dos erros. Os resultados padrão dos COSMOSWorks, são satisfatórios para uma discretização dos erros como dizem seus documentos.

Ainda com a Janela da malha ativa, leve o Slider para a esquerda e selecione o campo Run analysis after meshing, confirme a figura 20. Uma malha deverá ser criada como mostrado na figura abaixo:

Fig 20 – Criando a primeira malha

✔ Nota: Você pode controlar a visibilidade da malha, selecionando Hide Mesh ou Show Mesh no menu pop-up da figura 17

Agora estamos pronto para rodar o estudo.

Para iniciar a solução, clique com o botão direito no ícone do estudo em seguida selecione Run. A solução poderá ser selecionada com diversos parâmetros que veremos adiante. Uma janela aparecerá onde poderá ser monitorada o processo de solução do problema.

Fig 21 – Janela de resolução do problema.

Uma vez terminado o processo, o COSMOSWorks exibira em sua janela de gerenciamento, uma série de ícones cada qual com sua analise com a seguinte configuração:

● Tensão● Deslocamento● Esforço● Deformação● Checagem de design

Cada pasta criada, automaticamente possui um resultado específico de uma análise

● note que para cada tipo de estudo os resultados são caracterizados e próprios. No entanto você pode adicionar mais resultados para cada pasta.

Fig 22 – Pasta com os resultados automaticamente criadas.

Você pode modificar os resultados obtidos clicando com o botão direito do mouse em um dos resultados e adicionar novos resultados clicando com o botão direito do mouse nas pastas referentes aos resultados.

Fig 23 – outras opções mostradas no menu pop-up dos resultados

A análise prioritária e padrão do COSMOSWorks, é mostrada no entanto para se editar as definições de análise de forma mais precisa, é preciso clicar com o botão direito do mouse no ícone do resultado e escolher Define... no menu pop-up mostrado, como exemplo a janela da tensão que aparece na figura 24 apresenta uma série de informações, no caso estas informações na aba Display pode-se ver o tipo de componente de tensão mostrado, e o tipo de gráfico usado. É interessante dar uma olhada nas opções disponíveis para saber onde achar caso necessário.

Fig 24 – Janela de plotagem da tensão.

Todos os outros resultados são mostrados e alterados do mesmo modo.

As figuras abaixo mostram os resultados obtidos

Fig 25 – Resultado de tensão Von Misses

Se necessário pode-se alterar as propriedades de tensão, clicando-se na aba Properties.

FIG 26 – Resultado do Deslocamento com as características padrão.

Esta plotagem mostra a placa deformada em um estado exagerado, você pode mudar as propriedades de deformado para não-deformado e modificar a escala de deformação na janela se Tensão na aba Setting.

Fig 27 – Resultado do Esforço

Note que o resultado do Esforço é menor dimensionado e menos detalhado que o de tensão, pois as tensões são médias e progressivas ao longo do corpo enquanto que no esforço são mostradas pontualmente nos elementos.

Fig 28 – resultado da deformação

Esta é a aparência da peça deformada para simples verificação, a escala de

deformação é exagerada, no entanto pode ser real se ajustado os valores na janela de tensão na aba Settings.

O último resultado é chamado de checagem de design, um ícone não é colocado em sua estrutura, no entanto, pode-se acessar este usando o botão direito do mouse no ícone dos resultados e selecionando define design Check. Uma interação com o usuário é necessária para apresentar o resultado.

Para verificar, repita os procedimentos adima.

Fig 29 – Janela do Design Check

Como podemos observar, podemos selecionar uma dos diversos tipos de checagem de desenho. Nós decidimos usar o critério de von Misses, em outras palavras, nós definiremos como uma segurança estrutural baseada no critério de von Misses.

Clicando em Próximo vemos a seguinte janela:

Fig 30 – Segunda janela do Design Check

Use esta janela para especificar o valor limite de tensão para o fator de segurança. Os valores nos campos Yield Streinght e Ultimate Streinght vem das características do material especificadas na figura 08. Podemos usar o definido ou mudar.

Clicando em próximo Temos o seguinte:

Fig 31 – Terceira janela do Design Check

Esta janela permite selecionar como será exposto o resultado.

Clicando em terminamos as configurações e uma paça e mostrada como na figura:

Fig 32 – Resultado do Design Check

A área vermelha indica onde o fator de segurança é crítico e abaixo de 3 como definido.

Aqui nós completamos a análise com um tipo de malha bem simples e de rápido processamento. No entanto a densidade da malha poderá afetar o resultado. Logo, nó iremos repetir os testes usando malhas de média e fina densidade. A figura abaixo mostra as malhas usadas neste capítulo.

Fig 33 – Diferença de densidade das malhas

Para comparar os resultados das diferentes malhas, nós necessitamos mais informações que as oferecidas nos resultados do result Plot.

Usaremos um máximo deslocamento e uma máxima tensão de von Misses para

cada resultado. Logo, para cada malha nós necessitamos saber:

Números de nós Números de elementos Números de graus de liberdade

As números de nós e os números de elementos podemos facilmente obter na janela da figura 34 (Mesh Details).

O número de graus de liberdade do modelo,é igual ao número de graus de liberdade por nó (no caso três [Figura 19]), vezes o número de nós, não contando os nós da face onde o suporte é definido.

Fig34 – Janela Mesh Details

✔ Nota: para encontrar esta janela basta clicar com o botaõ direito do mouse no ícone Mesh no gerenciador do COSMOSWorks.

O sumário do resultado da escolha das três malhas é mostrado na tabela abaixo.

Densidade da malha

Magnitude máx. Desloc.

Máx.tensão de von Misses

N. de graus de liberdade

Número de Elementos

Número de nós

Baixa 0,1177mm 348,6 MPa 6684 1109 2285

Média 0,1180mm 368,1 MPa 32439 6122 10998

Alta 0,1181mm 375,9 MPa 244737 53522 82082

Fig35 – Magnitude máxima de deslocamento

Os três pontos do gráfico representam os diversos graus de liberdade em função do deslocamento.

Observando que a máxima magnitude de deslocamento aumenta em decorrência do refinamento da malha, concluímos que o modelo fica mais “delicado” quando menor os elementos usados. Assim, quanto maior o número de elementos menor o erro e maior a aproximação com os valores reais. A diferença entre a solução através de MEF e a matemática está no erro de discretização existente quando se resolve problemas em cada elementos, sendo assim quanto maior a quantidade de elementos menor o erro. No entanto em se tratando de alguns problemas menos exigentes o tempo desperdiçado na resolução de problemas pode ser muito grande e desnecessário.

Em se tratando de análises muitas são as opções. Podemos por exemplo verificar o comportamento de uma seção da peça como na figura abaixo, muito útil para peças com riqueza de detalhes.

0.1176

0.1177

0.1178

0.1179

0.118

0.1181

0.1182

Deslocamento

Fig36 – seção da peça

Para se verificar este tipo de seção é preciso clicar com o botão direito no estudo em questão e escolher Section Clipping como na figura abaixo.

Fig37 – Verificando uma seção da peça.

As informações presentes no gerenciador são intuitivas e parecidas com as propostas neste capítulo, pede-se no entanto uma prática para se obter resultados satisfatórios.

Há outras opções como Iso Clipping que gera resultados baseados em um dado específico da análise como a figura abaixo.

Fig38 – Usando o Iso Clipping.

Ainda na mesma janela pop-up, temos a opção , nela podemos mudar outros parâmetros para ilustrar o trabalho de uma outra forma como mostrado na figura abaixo, neste caso, além da mudança usando o Iso Clipping, temos o uso do “Boundary Options – Translucent” que cria um efeito de transparência na peça.

Fig39– Usando o Iso Clipping e Boundary Options – Translucent

O uso de animação também é uma fonte de importantes demonstrações, para chegar a esta opção, também usamos o botão direito do mouse na resultdo

que se deseja animar e escolhemos a opção Animate. A Tela do gerenciador, mostrada na figura permite o controle do filme e inclusive salva-lo em formato AVI.

Fig 40 – Animando o resultado

Também temos a opção de reportar as informações do estudo em questão padronizadas em uma página HTML completa em formato de relatório, o que permitirá o estudo detalhado com todas as informações pertinentes ao estudo.

Um clique com o botão direito do mouse no ícone report mostrará a

seguinte tela:

Fig 41 – Tela do report

Nesta tela além das informações usuais de quem está realizando o estudo, podemos escolher o que será disponibilizado no relatório.

Após a completa seleção do necessário basta clicar em Ok e um relatório poderá ser visualizado, que poderá ser tanto em HTML como no formato Microsoft Word.

Analogamente, podemos executar este tipo de teste, análise ou estudo para os diversos tipos de análises disponíveis no COSMOSWorks.