A Análise de Elementos Finitos (FEA) tornou-se uma ferramenta indispensável no campo da engenharia estrutural, permitindo que engenheiros simulem e analisem estruturas complexas em diversas condições. Entre as inúmeras capacidades oferecidas por software de simulação, o Abaqus destaca-se por suas funcionalidades avançadas. Neste guia, exploraremos profundamente uma das ferramentas poderosas do Abaqus – a restrição de acoplamento baseada em superfície (Coupling Constraing Surface-Based). Compreender suas nuances e aplicações é crucial para engenheiros e pesquisadores que buscam realizar simulações estruturais precisas e eficientes.
I. Compreensão da Restrição de Acoplamento Baseada em Superfície
A. Introdução à Restrição de Acoplamento no Abaqus
No Abaqus, restrições de acoplamento são essenciais para estabelecer conexões entre nós em uma superfície e um nó de referência. Esse acoplamento é alcançado por meio de dois tipos principais: cinemático e distribuído (kinematic e distributing).
Acoplamento Cinemático:
O acoplamento cinemático é empregado quando o movimento de nós em uma superfície precisa ser restrito ao movimento de corpo rígido de um nó de referência. Isso garante que os nós restritos se movam rigidamente com o nó de referência.
Acoplamento Distribuído:
O acoplamento distribuído, por outro lado, introduz mais flexibilidade, permitindo o controle sobre a transmissão de forças por meio de fatores de peso especificados nos nós de acoplamento. Esse tipo de acoplamento é particularmente útil em cenários nos quais o movimento médio, em vez do movimento de corpo rígido, precisa ser restrito.
B. Aplicações da Restrição de Acoplamento Baseada em Superfície
A restrição de acoplamento baseada em superfície no Abaqus encontra aplicações abrangentes, tornando-se uma ferramenta versátil em simulações estruturais. Algumas aplicações notáveis incluem:
1. Aplicação de Cargas e Condições de Contorno
Restrições de acoplamento baseadas em superfície são eficazes na aplicação de cargas ou condições de contorno a um modelo. O movimento dos nós de acoplamento pode ser controlado para impor comportamentos específicos na resposta estrutural.
Exemplo: Prescrever um movimento de torção a um modelo sem restringir o movimento radial usando uma restrição de acoplamento cinemático (imagem abaixo).
2. Distribuição de Cargas em um Modelo
Quando a distribuição de carga é descrita por uma expressão de momento de inércia, as restrições de acoplamento distribuídas oferecem uma solução elegante. Padrões clássicos de distribuição, como expressões de padrão de parafuso ou solda, são adequados para essa aplicação.
Exemplo: Utilizando uma restrição de acoplamento distribuída para prescrever uma condição de deslocamento e rotação em um limite onde é necessário o movimento relativo entre os nós. Neste exemplo, uma torção é prescrita no final da estrutura que se espera torcer e/ou deformar na superfície final (imagem abaixo).
3. Transições de Dimensionalidade
O acoplamento baseado em superfície é valioso ao transicionar entre elementos contínuos e estruturais. Ele permite um acoplamento flexível entre diferentes tipos de elementos em um modelo.
4. Modelagem de Condições de Extremidade
A definição de acoplamento cinemático é eficaz na modelagem de condições de extremidade, como placas de extremidade rígidas ou garantindo que seções específicas de um sólido permaneçam planas.
Exemplo: Utilizando acoplamento cinemático para modelar uma placa de extremidade rígida ou para manter seções planas de um sólido.
5. Simplificação da Modelagem de Restrições Complexas
O acoplamento cinemático permite a seleção de graus de liberdade que participam na restrição individualmente em um sistema de coordenadas local, simplificando a modelagem de restrições intricadas.
6. Interações com Outras Restrições
Restrições de acoplamento podem ser usadas em conjunto com outras restrições, como elementos conectores, para modelar interações realistas.
Exemplo: Modelagem da pré-tensão de um parafuso usando acoplamento cinemático e conector translator (se você estiver ansioso para aprofundar nas complexidades dessa técnica, dedicamos uma postagem de blog específica a ela: Técnicas de Pre-Carga em Parafuso no Abaqus).
C. Definindo Restrição de Acoplamento Baseada em Superfície no Abaqus
1. Procedimento para Definir Nós de Acoplamento
Definir restrições de acoplamento envolve especificar o nó de referência, nós de acoplamento e o tipo de restrição. Os nós de acoplamento são automaticamente selecionados com base na superfície especificada e na região de influência opcional.
2. Restrições de Acoplamento Cinemático
Restrições de acoplamento cinemático são aplicadas eliminando graus de liberdade nos nós de acoplamento, garantindo que seu movimento esteja rigidamente ligado ao nó de referência.
3. Restrições de Acoplamento Distribuído
Restrições de acoplamento distribuído introduzem fatores de peso para controlar a distribuição de forças e momentos nos nós de acoplamento. Isso oferece flexibilidade na definição do comportamento dos nós restritos.
II. Análise Aprofundada da Restrição de Acoplamento Baseada em Superfície no Abaqus
A. Especificando uma Região de Influência
Por padrão, os nós de acoplamento são selecionados para toda a superfície. No entanto, os usuários podem limitar os nós de acoplamento a uma região esférica centrada no nó de referência, definindo um raio de influência.
1. Superfície Baseada em Nós
Fatores de peso definidos pelo usuário são usados para superfícies baseadas em nós. As áreas de seção transversal especificadas na definição da superfície são usadas como fatores de peso.
2. Superfície Baseada em Elementos
Para superfícies baseadas em elementos, os fatores de peso são calculados pelo Abaqus. A distribuição padrão de peso é baseada na área de superfície tributária em cada nó de acoplamento, exceto para uma superfície ao longo de uma borda de casca, onde a distribuição de peso é baseada no comprimento de borda tributário. O procedimento usado para calcular os fatores de peso padrão é projetado para garantir que, se um raio de influência for prescrito, a distribuição padrão de peso varie suavemente com o raio de influência.
B. Métodos de Ponderação para Restrição Distribuída
A distribuição padrão de peso para restrições de acoplamento distribuídas é baseada na área de superfície tributária. Vários métodos de ponderação estão disponíveis para modificar essa distribuição, proporcionando flexibilidade no controle da distribuição de forças.
1. Distribuição de Peso Decrescente Linearmente
Um esquema de ponderação decrescente linear pode ser aplicado, onde o fator de peso diminui linearmente com a distância radial do nó de referência.
Vamos entender como funciona por meio do modelo mostrado na imagem abaixo.
Se a distribuição de peso for mantida uniforme (opção padrão), a peça se deformaria conforme mostrado abaixo.
Se a distribuição de peso for definida como decrescente linearmente, a peça se deformaria conforme mostrado abaixo.
Observe que há mais carga aplicada nos nós centrais e diminui linearmente na direção radial.
2. Distribuição de Peso Polinomial Quadrática
Uma distribuição de peso polinomial quadrática proporciona uma variação de peso mais complexa com base na distância radial.
A imagem abaixo mostra a mesma peça com uma distribuição de peso polinomial quadrática, ou seja, a carga diminui quadraticamente na direção radial.
3. Distribuição de Peso Decrescente Monotônica
Uma distribuição de peso decrescente monotônica utiliza um polinômio cúbico.
C. Especificando um Sistema de Coordenadas Local
Tanto restrições de acoplamento cinemático quanto distribuído podem ser especificadas em relação a um sistema de coordenadas local, oferecendo mais flexibilidade na definição da direção da restrição.
1. Acoplamento Cinemático com Sistema de Coordenadas Local
No acoplamento cinemático, a restrição pode ser especificada em relação a um sistema de coordenadas local em vez do sistema de coordenadas global.
2. Acoplamento Distribuído com Sistema de Coordenadas Local
Da mesma forma, restrições de acoplamento distribuídas podem usar um sistema de coordenadas local para definir direções de restrição.
3. Direção de Restrição e Rotação Finita
Em etapas de análise geometricamente não lineares, o sistema de coordenadas no qual os graus de liberdade restritos são especificados rotacionará com o nó de referência.
III. Considerações Avançadas e Melhores Práticas
A. Definição do Método de Acoplamento de Superfície
Dois métodos, acoplamento contínuo e acoplamento estrutural, ditam como o movimento do nó de referência é acoplado ao movimento médio dos nós de acoplamento.
1. Método de Acoplamento Contínuo (Continuum Coupling Method)
O método padrão de acoplamento contínuo acopla a translação e a rotação à translação média dos nós de acoplamento, distribuindo forças sem transmitir momentos.
2. Método de Acoplamento Estrutural (Structural Coupling Method)
O método de acoplamento estrutural é especialmente adequado para aplicações semelhantes a dobradiças de cascas. Ele acopla a translação e a rotação ao movimento de translação e rotação dos nós de acoplamento.
B. Liberação de Momento e Rotação Finita
Em etapas de análise geometricamente não lineares, o sistema de coordenadas dos graus de liberdade que define a liberação de momento rotaciona com o nó de referência.
C. Disposições de Nós de Acoplamento Colineares
Restrições de acoplamento distribuídas podem enfrentar limitações quando os nós são dispostos de maneira colinear, potencialmente levando à incapacidade de transmitir certos componentes de um momento.
IV. Limitações e Melhores Práticas
Apesar de sua versatilidade, a restrição de acoplamento baseada em superfície no Abaqus possui algumas limitações que os usuários devem estar cientes:
- Elementos Axisimétricos: A restrição não pode ser usada com elementos axisimétricos com deformação assimétrica.
- Limite de Nós de Acoplamento Distribuídos: Grandes números de nós de acoplamento podem resultar em uso significativo de memória e tempos de solução mais longos.
Para navegar efetivamente por essas limitações, é essencial seguir as melhores práticas:
A. Seleção Ótima de Nós de Acoplamento
A seleção cuidadosa de nós de acoplamento é crucial. Em cenários com um grande número de nós, selecionar nós estrategicamente pode melhorar significativamente a eficiência computacional.
B. Gerenciamento de Memória
Dado que um grande número de nós de acoplamento pode levar a um aumento no uso de memória, os usuários devem otimizar seus modelos e simulações para gerenciar efetivamente os recursos computacionais.
C. Validação do Modelo
Antes de confiar nos resultados da simulação, é imperativo validar o modelo em relação a dados experimentais ou soluções analíticas conhecidas. Isso garante a precisão e confiabilidade da simulação.
D. Abordagem Iterativa
Em simulações complexas, uma abordagem iterativa pode ser benéfica. Executar modelos simplificados primeiro permite que os usuários entendam o comportamento das restrições de acoplamento antes de incorporá-las em simulações mais intrincadas.
V. Estudo de Caso: Conexão de Junta Esférica
Considere um caso em que uma parte está conectada a outra por meio de uma junta esférica, conforme mostrado abaixo. Para criar este conector, uma acoplamento deve ser criado para a cabeça da junta esférica e outro para a carcaça da junta esférica. Os nós de referência desses dois acoplamentos devem ser conectados por meio de um conector.
Esse tipo de conexão é muito comum nos sistemas de suspensão dianteira e traseira de veículos. Exemplo: conexão entre Barra Estabilizadora e Link de Suspensão, entre Terminal de Direção e Munhão, entre Braço de Controle Superior e Munhão, etc.
Gostaria de saber mais sobre conexões de junta esférica? Confira este post do blog clicando aqui.
No vídeo abaixo, mostro mais detalhes sobre o estudo de caso.
VI. Conclusão
Em conclusão, a restrição de acoplamento baseada em superfície no Abaqus fornece aos engenheiros e pesquisadores uma ferramenta versátil e poderosa para lidar com interações estruturais complexas. Seja aplicando cargas, distribuindo forças, modelando condições de extremidade ou facilitando interações com outras restrições, a restrição de acoplamento oferece uma solução abrangente. Compreender suas aplicações, definir restrições de maneira eficaz e navegar por limitações são aspectos essenciais para aproveitar todo o potencial dessa funcionalidade.
À medida que as capacidades computacionais continuam a avançar, o uso de restrições de acoplamento baseadas em superfície em simulações estruturais provavelmente se tornará ainda mais prevalente. Ao incorporar essas técnicas em suas análises, os engenheiros podem aprimorar a precisão e eficiência de seus modelos, abrindo caminho para projetos mais seguros e inovadores no campo da engenharia estrutural.
VII. Veja o Post no Nosso Blog LearnFEA
Este post foi publicado originalmente em nosso blog LearnFEA.com. Clique aqui para ver o post original!
