Otimização em engenharia: técnicas e aplicações em diferentes indústrias
Na indústria há a necessidade de otimização em engenharia aplicada aos produtos ou processos com o intuito de reduzir tempos de desenvolvimento, melhorar a eficiência e/ou minimizar custos de fabricação.
É um desafio evidenciado tanto no design de um novo produto quanto na modificação do projeto de um produto existente. Realizar essa tarefa não é simples, principalmente devido à grande quantidade de opções que o projetista possui à disposição.
É por isso que, para desenvolver produtos cada vez melhores e com menores custos, os profissionais apostam na metodologia de otimização, utilizada para tornar o processo de busca de melhorias mais preciso ao empregar um método científico, ágil e automatizado.
Essa metodologia utiliza algoritmos de otimização em engenharia como elemento para selecionar novos designs iterativamente em busca da configuração ótima. Nesse sentido, a simulação computacional pode ser uma grande aliada como é possível ver nas possibilidades apresentadas nesta live.
Técnicas de simulação aplicadas na otimização em engenharia
Para começar a aplicar a metodologia de otimização em engenharia, é preciso definir os elementos básicos: variáveis de entrada, funções objetivo e restrições. As variáveis de entrada são os parâmetros do projeto que se tem liberdade para modificar, por exemplo:
- variáveis geométricas (espessura, largura, raios de curvatura etc.);
- variáveis de operação (velocidade de entrada, carregamento, temperatura etc.);
- e outras como materiais, trajetórias etc.
As funções objetivo representam as metas do projeto, ou seja, minimizar ou maximizar variáveis como eficiência, custos, tensões, perda de carga, atrito, troca térmica etc. Essas funções são as forças motrizes da otimização, que podem ser uma ou mais. Finalmente as restrições são os requisitos que devem ser cumpridos pelos novos designs. Podem ser exigências provenientes de normas, de viabilidade, de fabricação.
Após a modelagem de otimização em engenharia citada acima, é necessário definir como serão calculadas as variáveis de saída (funções objetivo e restrições). A forma mais simples seria contar com uma expressão analítica em função das variáveis de entrada.
Nos problemas práticos geralmente não é possível ter esta expressão, assim as variáveis de saída precisam ser calculadas numericamente, por meio de rotinas computacionais ou softwares específicos que simulem os fenômenos físicos do projeto, ou experimentalmente.
A simulação estrutural modela e analisa o comportamento de estruturas sob diferentes tipos de carregamento. É indicada para projetos que envolvem resistência dos materiais, como pontes, edifícios, veículos, maquinário e outros produtos manufaturados.
Já a simulação fluidodinâmica modela o fluxo de fluidos (líquidos e gases) e a transferência de calor usando equações diferenciais parciais. Pode ser aplicada, por exemplo, em estudo de aerodinâmica, otimização de design de equipamentos ou análise de mistura.
Para design de dispositivos eletrônicos, antenas, cabos e sistemas de comunicação é possível utilizar a simulação eletromagnética que simula o comportamento de campos elétricos e magnéticos.
Por fim, a simulação de partículas modela o movimento e interação de partículas individuais ou grupos. Pode ser útil para a otimização de chutes de transferência, peneiras vibratórias, trituradores e tratadores de sementes.
O uso da simulação para otimizar processos em diferentes indústrias
Embora muitos considerem a simulação mais aplicável a setores tecnologicamente avançados, ela é, na verdade, essencial para qualquer indústria que deseje melhorar a eficiência, reduzir custos e inovar.
Conheça algumas possibilidades de otimização em engenharia com o uso da simulação a seguir:
Indústria de óleo e gás
Na indústria de óleo e gás, a Petrobras utilizou otimização para realizar o dimensionamento inicial da plataforma P-55, a qual é a maior plataforma semissubmersível construída no Brasil e que já está em operação.
O objetivo foi encontrar as dimensões do casco da plataforma que minimizem o movimento vertical da mesma e cumpram com várias restrições de projeto, como de movimento, de construção e de montagem.
A natureza do problema e a quantidade de restrições acabaram reduzindo fortemente o número de configurações viáveis, assim foi preciso usar um algoritmo de otimização robusto, capaz de encontrar as regiões viáveis. Os estudos incluíram análises hidrodinâmicas, de estabilidade e de fadiga.
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Indústria automotiva
Vários casos de sucesso em engenharia aplicaram técnicas de otimização. Por exemplo, em um estudo da BMW Team, o objetivo era reduzir o tempo por volta de um carro de competição na corrida de Interlagos, durante o Campeonato de GT3.
Para diminuir o tempo de volta (função objetivo), foram modificados vários parâmetros de setup do carro, como: ângulo do aerofólio, configuração dos amortecedores, das rodas, entre outros.
No total foram rodadas 600 diferentes simulações em apenas um dia, obtendo no final uma redução de 1.38 segundos por volta, uma redução significativa para esta competição.
Agroindústria
A agroindústria é um setor complexo e multifacetado, abrangendo desde a produção agrícola até o processamento e distribuição de produtos alimentares e não alimentares. Nesse caso, a simulação desempenha um papel crucial, permitindo otimização e melhoria contínua.
Para a agricultura de precisão, por exemplo, a simulação pode contribuir com a criação de modelos virtuais de máquinas utilizadas, permitindo testar uma variedade de cenários antes dos desenvolvidos físicos.
Pode ser aplicada em máquinas como distribuidores, plantadeiras, transportadores de grãos, misturadores, tanques de armazenamento e máquinas para processamento. Traz benefícios como a análise de desempenho, a otimização do design e a redução de riscos.
Saiba mais: Simulação aplicada à agroindústria: casos de sucesso
Equipamentos industriais
Através da simulação, é possível prever o desgaste e a necessidade de manutenção de máquinas e equipamentos, reduzindo o tempo de inatividade e prolongando a vida útil.
Também pode ser útil para previsão da performance de complexos industriais e otimizar máquinas em operação.
Entre os equipamentos industriais que podem usufruir da simulação computacional podemos citar turbomáquinas, motores elétricos, transformadores e trocadores de calor.
Indústria de energia
A simulação permite otimizar o design de células fotovoltaicas, determinar a melhor orientação e inclinação dos painéis solares e prever a produção de energia em diferentes condições atmosféricas.
Em fazendas solares, a simulação computacional é fundamental para garantir que essas instalações operem com o máximo de eficiência, minimizando o uso de recursos e desperdício. Com o uso da simulação também é possível reduzir o tempo de implantação da operação. Para descobrir mais sobre as aplicações da tecnologia, conheça as ferramentas de simulação computacional Ansys com recursos exclusivos para resolver seus desafios de otimização em engenharia.
