Aplicações da Análise por Elementos Finitos (FEA)-FIXAÇÃO DA ASA

A Análise por Elementos Finitos (FEA – Finite Element Analysis) é uma das principais ferramentas da engenharia moderna, baseada nos conceitos do Método dos Elementos Finitos (FEM – Finite Element Method). Inserida no contexto de Computer-Aided Engineering (CAE), a FEA permite que projetos sejam avaliados virtualmente antes da fabricação, identificando possíveis falhas estruturais, problemas de desempenho e limitações operacionais.

Em termos práticos, o FEM é a base teórica e matemática; a FEA é sua aplicação computacional por meio de softwares especializados. Essa distinção é fundamental: embora existam diversos softwares de mercado, todos utilizam os mesmos princípios matemáticos. O que os diferencia são interface, recursos adicionais, solver, velocidade de processamento e integração com outros módulos — mas não a teoria em si.

Construção do Modelo de Elementos Finitos

A partir de um modelo matemático, constrói-se o modelo de elementos finitos (FE), que consiste em:

• Um conjunto de nós (pontos discretos)

• Elementos que conectam esses nós

• Formação de uma malha (mesh) que representa a estrutura

Cada elemento possui propriedades definidas, como:

• Tipo estrutural (viga, casca, sólido, chapa, mola)

• Propriedades do material (módulo de elasticidade, coeficiente de Poisson, densidade)

• Comportamento linear ou não linear

• Condições de contorno e carregamentos aplicados

A densidade da malha pode variar conforme a região analisada. Áreas com concentração de tensões — como filetes, cantos vivos, regiões de fixação ou mudanças bruscas de geometria — exigem maior refinamento. Já regiões com baixa variação de tensão podem utilizar malhas mais grosseiras, otimizando tempo computacional sem perda significativa de precisão.

Fluxo de Trabalho em FEA

Na prática, a aplicação da FEA segue três etapas fundamentais:

Pré-Processamento

• Importação ou modelagem da geometria

• Definição do material

• Geração da malha

• Aplicação de condições de contorno e carregamento

Processamento

• Resolução numérica do sistema de equações pelo solver

• Cálculo de tensões, deformações e deslocamentos

Pós-Processamento

• Análise gráfica e numérica dos resultados

• Identificação de regiões críticas

• Validação ou necessidade de ajuste do projeto

Como exemplo prático, pode-se aplicar esse fluxo ao aeromodelo Skylift, realizando uma análise estática linear na fixação da asa. O objetivo é verificar tensões máximas, deslocamentos e fator de segurança na região de acoplamento, garantindo que a estrutura suporte as cargas aerodinâmicas previstas.

Benefícios da FEA

A aplicação da análise por elementos finitos proporciona ganhos estratégicos no desenvolvimento de produtos:

• Prever e melhorar o desempenho estrutural

• Aumentar a confiabilidade e segurança

• Reduzir a necessidade de prototipagem física

• Diminuir custos com testes experimentais

• Avaliar diferentes materiais e configurações

• Otimizar massa estrutural

• Reduzir tempo de desenvolvimento

Especialmente na engenharia aeronáutica e mecânica, onde peso e segurança são fatores críticos, a FEA torna-se uma ferramenta indispensável.

Objetos de Estudo no Projeto

No contexto do aeromodelo analisado, os principais componentes avaliados são:

• Fixação da asa

Esses pontos são estruturalmente críticos, pois concentram esforços provenientes das cargas aerodinâmicas, peso próprio e vibrações durante o voo. Uma análise adequada dessas regiões é essencial para garantir integridade estrutural e segurança operacional.

A) Pré-Processamento

O pré-processamento é a etapa mais estratégica da análise, pois consiste na idealização do problema físico em um modelo matemático representativo. Nessa fase, o engenheiro interpreta o comportamento real da estrutura e o traduz para o ambiente computacional (CAE).

Planejamento da Análise

Idealização do sistema:
O sistema real é simplificado conforme os princípios da mecânica dos sólidos. É necessário identificar corretamente:

• Esforços atuantes

• Condições de contorno

• Regiões críticas

• Hipóteses adotadas (análise linear ou não linear)

No caso do aeromodelo, durante o voo em regime estático, a asa é responsável por sustentar todo o peso da aeronave por meio da força de sustentação. Consequentemente, a fixação da asa torna-se um ponto estrutural crítico, pois concentra:

• Cargas provenientes do peso total do aeromodelo

• Esforços transmitidos pela estrutura da asa

• Reações nos pontos de apoio

Assim, o carregamento aplicado na análise considera o peso do aeromodelo distribuído na região de fixação.

Definição do Material

Inicialmente, a peça foi estudada considerando alumínio genérico, utilizando uma análise estática linear. Posteriormente, foi avaliado o comportamento com plástico ABS, material efetivamente utilizado no aeromodelo.

A escolha do material influencia diretamente:

• Tipo de análise (linear ou não linear)

• Refinamento de malha

• Critérios de falha

• Limite de escoamento e deformação admissível

Preparação da Geometria e Modelagem CAD

• Definição do conceito estrutural da peça

• Modelagem 3D em software CAD

• Simplificações geométricas quando necessário

• Remoção de detalhes irrelevantes para a análise

Após a modelagem, aplica-se:

• Condições de contorno (restrições)

• Carregamentos equivalentes ao cenário de voo

Geração da Malha

Com a geometria definida, é criada a malha de elementos finitos, composta por:

• Nós

• Elementos tridimensionais

O refinamento foi maior nas regiões de:

• Mudança de seção

• Concentração de massa

• Pontos de fixação

Antes de rodar o solver, realiza-se o check do modelo, verificando:

• Conectividade da malha

• Aplicação correta das cargas

• Restrições coerentes com o problema físico

Essa etapa é crucial para evitar erros numéricos e resultados inconsistentes.

B) Processamento

Nesta fase, o solver de elementos finitos realiza a resolução numérica do sistema de equações, calculando:

• Deslocamentos

• Tensões

• Deformações

• Forças de reação

Resultados – Plástico ABS

Tensão Equivalente (Von Mises)

• Tensão Máxima: 1,81 MPa

• Tensão Mínima: 0,000489 MPa

A tensão máxima encontrada é extremamente inferior ao limite de escoamento do material (aproximadamente 505 MPa para referência comparativa estrutural), indicando ampla margem de segurança.

Deformação Equivalente

• Deformação Máxima: 0,182 mm

• Deformação Mínima: ~0 mm

A deformação é pequena e praticamente imperceptível visualmente, mantendo a integridade funcional da peça.

Deslocamento Equivalente

• Deslocamento Máximo: 0,0052 mm

• Deslocamento Mínimo: ~0 mm

O deslocamento máximo ocorre na mesma região de maior concentração de tensão, o que é coerente do ponto de vista mecânico.

C) Pós-Processamento:

Nesta etapa, realiza-se a verificação do comportamento estrutural, assegurando que o Modelo de Elementos Finitos foi corretamente configurado e representa de forma adequada o problema físico. Somente após a checagem completa do modelo — incluindo condições de contorno, malha e coerência dos resultados — é possível interpretar e validar os dados obtidos na análise.

Tensão:
Observa-se que o ponto de maior tensão está localizado na região central da peça, coincidente com a área de maior concentração de massa. A tensão máxima encontrada foi de 1,82 MPa, valor significativamente inferior ao limite de escoamento do material (505 MPa). Dessa forma, conclui-se que a peça opera com ampla margem de segurança, não apresentando risco de falha estrutural nas condições analisadas.

Deformação equivalente:
A deformação equivalente máxima foi de 0,182 mm, caracterizando uma variação dimensional muito pequena, praticamente imperceptível a olho nu e totalmente aceitável do ponto de vista estrutural e funcional.

Deslocamento equivalente:
O deslocamento máximo obtido foi de 0,0052 mm, também localizado na região de maior tensão. Trata-se de um valor extremamente baixo, evidenciando elevada rigidez estrutural e adequada distribuição dos esforços na peça.

Com base nesses resultados, a peça é considerada validada para aplicação em campo dentro das condições de carregamento analisadas. Caso fossem identificadas anormalidades, seria necessário reavaliar o modelo numérico e, se necessário, revisar o conceito estrutural da peça, considerando reforços, alterações geométricas ou mudança de material.

É fundamental destacar que a qualidade dos resultados de uma Análise por Elementos Finitos (FEA) depende diretamente da competência técnica do responsável pela modelagem. O software executa os cálculos, mas a correta interpretação física e estrutural é responsabilidade do engenheiro.

Portanto, o domínio teórico é imprescindível para a realização de uma análise confiável.

"O engenheiro não deve utilizar o software se não conhece a teoria."