Estruturas complexas mais seguras

O estudo das fraturas mecânicas é um campo relativamente novo da mecânica que estuda a propagação de fendas em materiais. Ao investigar o crescimento de deformações em materiais sólidos, uma equipa de investigadores está a trabalhar para encontrar novas maneiras de construir estruturas mecânicas modernas, sem deixar de cumprir os requisitos de segurança e eficácia.

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Um grupo de investigadores do Barcelona Supercomputing Center (BSC) trabalhou em colaboração com a Biscarri Consultoria SL (BCS), uma empresa de engenharia de Barcelona, para examinar as fraturas mecânicas de estruturas industriais de grande dimensão e complexidade. Com o seu trabalho, esperam responder a uma das grandes necessidades da indústria: a simulação prévia de grandes deformações. Um dos exemplos utilizados no estudo desta questão são as turbinas eólicas, uma vez que são estruturas muito complexas que requerem o uso de supercomputação no seu processo de criação.

O projeto Alya-Solidz usa o software de simulação mecânica Alya. Este código foi inicialmente criado para simulações computacionais da dinâmica de fluídos (por exemplo, para prever o movimento de fluídos físicos e o calor transferido, usando métodos computacionais) mas também pode ser usado para o estudo de outras áreas do conhecimento, incluindo a eletromagnética, mecânica quântica e mecânica, e foi provado que funciona de forma eficiente em computadores de memória distribuída, usando até 22 mil horas de CPU.

“O objetivo deste projeto passa por duas fases. Por um lado, pretendemos adaptar o código para as arquiteturas modernas que combinam nodes de memória distribuída e cores  de memória partilhada nesses nodes: ou seja, queremos implementar um paradigma híbrido no Solidz ao incluir diretivas Open MP no código. Por outro lado, queremos implementar uma técnica numérica que simule o crescimento de fendas e que se adapte ao paradigma híbrido introduzido”, diz o investigador Guillaume Houzeaux da BSC.

Através deste projeto, o grupo do BSC-CNS espera resolver o crescimento de fendas em materiais sólidos de forma muito mais precisa do que antes. Com a ajuda de um modelo de simulação, que prevê a força e durabilidade das estruturas antes de elas serem realmente construídas, a indústria pode ao mesmo tempo poupar tempo e dinheiro no processo de design e construção. A isto, soma-se o facto de que as estruturas otimizadas e as novas soluções de construção podem ser criadas e testadas em “laboratório” – e não por tentativas e possíveis erros.

 

A ANÁLISE DA FADIGA MECÂNICA – UMA ABORDAGEM INOVADORA

De acordo com Houzeaux, o modelo Alya-Solidz tem sido usado até agora para construir um simulador à escala real do coração humano. O modelo computacional designado como ‘Alya-red’ fornece uma ferramenta de imagiologia para simulação e análise de aneurismas em grandes artérias do coração, ao representar os mecanismos da complexa interação entre a ativação elétrica e a deformação do coração. Este modelo também tem sido utilizado na simulação do comportamento do reator de fusão nuclear ITER Tokamak  num ambiente com elevada atividade sísmica.

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Figura 1: Modelo eletro-mecânico do coração, que combina a imagiologia e modelos matemáticos.

No futuro, poderá ter uma potencial nova aplicação relacionada com o estudo da fadiga mecânica de construções grandes e complexas.

“Prever o tempo de vida, ao nível da fadiga no desenho estrutural de uma estrutura, revela se esta é fraca ou demasiado grande. Esta análise é uma ferramenta muito útil para a otimização de uma estrutura durante o processo de design: a infraestrutura simulada é um laboratório virtual que permite o teste de novas soluções de forma a encontrar a melhor. Estamos a pensar em aplicar esta ferramenta para o desenho de turbinas eólicas”, diz Lluis Biscarri, da Biscarri Consultoria SL.

De acordo com a investigadora Eva Casoni do BSC, o código existente do software Alya ajuda no tratamento de estruturas de grande dimensão e dá também a possibilidade de estudar outro tipo de questões da área da física, como a interação dos fluídos e estruturas (fluid-structure interaction – FSI). Esta interação é estudada em algumas estruturas móveis ou maleáveis e suscetíveis a deformações que tenham fluídos a circular à sua volta. Até agora, o fenómeno tem sido relativamente pouco examinado no terreno, em comparação com a dinâmica dos fluídos computacional, mas é crucial no desenho de muitos sistemas de engenharia como aviões e pontes.

“As previsões da interação entre fluídos e estruturas são muito úteis no caso de estruturas singulares, onde não há a possibilidade de um teste físico. Um bom exemplo seriam as turbinas eólicas instaladas no mar, onde há ondas e vento que interagem com toda a turbina”, realça Casoni.

De acordo com Casoni, a análise da fadiga mecânica é uma abordagem inovadora que é possível de aplicar considerando apenas o poder computacional da supercomputação e da grande escalabilidade dos códigos de software como o Alya.

 

OS VÁRIOS BENEFÍCIOS DO ESTUDO

O resultado do trabalho desta pesquisa fornece vários benefícios para várias indústrias nas quais o modelo é aplicado, ao reduzir o ciclo de desenvolvimento do produto e os seus custos de construção. Usando ferramentas de simulação com múltiplas variáveis na otimização de estruturas durante o processo de desenho, podemos criar estruturas mais leves e baratas sem perder parâmetros de segurança, requisito fundamental para a engenharia civil.

“A utilização de modelos de simulação ajuda na construção de estruturas complexas sem tentativas e erros. É uma questão de fazer as coisas certas à primeira!”

Lluis Biscarri
Biscarri Consultoria SL

“Quando uma estrutura é testada relativamente à fadiga mecânica, cada componente é posto em teste sob diferentes condições externas. Posteriormente, são usados dados estatísticos, resultados empíricos e fatores de segurança para assegurar a resistência de cada componente individual no ciclo de vida da estrutura”, diz Lluis Biscarri.

A supercomputação é crucial para o trabalho da equipa de investigadores porque permite a simulação de grandes estruturas sob condições reais. Isto permite evitar incertezas e permite gerar resultados mais precisos para o estado de fadiga de qualquer peça mecânica.

“Esperamos conseguir estudar uma estrutura gigante, com cerca de 500 milhões de elementos, mas apenas para efeitos de demonstração. Por isso precisamos de um grande número de horas de CPU, mas durante relativamente pouco tempo”, nota Houzeaux.

Os recursos do PRACE são a chave para o trabalho desta equipa.

Os resultados estão a ser testados no MareNostrum III no BSC, que oferece um enfoque em dois níveis de paralelismos: MPI e OpenMP. Eventualmente, a escabalibidade dos algoritmos será obtida neste sistema e noutro sistema do PRACE, que será especificado mais tarde”, diz Houzeaux.

 

Para mais informações:

http://biscarri.cat/

 

Artigo apoiado pelo PRACE (www.prace-ri.eu)

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