Simulação com Variação Paramétrica de Materiais no AEDT

1. Introdução

Em simulação computacional, muitas vezes o engenheiro/projetista está interessado em analisar o desempenho de um produto ou equipamento em diferentes cenários. Um exemplo disso é quando se deseja verificar o comportamento de um protótipo virtual utilizando diferentes materiais para uma mesma geometria. Neste artigo, será mostrado como é possível criar uma matriz com diferentes materiais para uma mesma geometria e, em uma mesma simulação, realizar análises paramétricas e plotar gráficos comparativos.

Dentre as ferramentas disponíveis no AEDT, serão apresentados exemplos de aplicação de um motor no Ansys Maxwell e de uma antena no Ansys HFSS.

2. Procedimento Padrão

O primeiro passo é criar um Array com uma tabela de materiais que você deseja analisar. Isso é possível Design Properties > Add Array > Append Rows. Insira os nomes dos materiais em Data usando aspas duplas (“”) para criar uma tabela de materiais (Figura 2.1). Os nomes devem corresponder exatamente aos presentes na biblioteca de materiais, seja para materiais criados pelo usuário ou os materiais padrão do AEDT.

Figura 2.1: Adicionando o Array com a Tabela de Materiais

Uma vez criado o Array, adicione manualmente o nome dessa variável (Material_table) nas propriedades do material da geometria que é desejado analisar. Clique no material e digite o nome do Array em Properties > Material e, entre colchetes [], crie uma variável (Material_ID) sem unidade e com valor zero, com a finalidade de identificar os materiais por meio da numeração do Index de cada um deles (Figura 2.2).

Figura 2.2: Adicionando Material_table no nas propriedades do material e criando Material_ID

Na janela de propriedades da árvore de projeto, observe que ao alterar o valor do Material_ID, o material da geometria será alterado.

Figura 2.3: Alterar a numeração do Material_ID altera o material da geometria 

3. Aplicação no Ansys Maxwell

Neste tópico, é apresentado um exemplo de aplicação de um motor no Ansys Maxwell. São criados cinco diferentes aços elétricos na biblioteca de materiais, chamados de "35C235_AM", "M250-35A", "M250-50A", "M350-50A", "M400-50A". Esses materiais são utilizados no rotor e no estator do motor, conforme a Figura 3.1.

Figura 3.1: Seção do Motor Utilizado na Simulação do Maxwell 2D

Em Maxwell 2D > Design Properties > Add Array, aplique o procedimento mostrado no tópico 2 para a criação do Array chamado Material_Table com a tabela de materiais. Em seguida, adicione manualmente a variável Material_Table em Properties > Material e crie o Material_ID para identificação do Index de cada material.

Figura 3.2: Adicionando Array para os Materiais Criados e Atribuindo para o Rotor e Estator

Para analisar o comportamento do motor com a modificação dos materiais, é possível adicionar uma análise paramétrica. Em Optimetrics > Add > Parametric > Add, parametrize a variável Material_ID, variando de 0 a 4, com passos de 1. O que está sendo alterado é o Index do material, e, consequentemente, o material de cada um dos objetos. 

Figura 3.3: Adicionando a Análise Paramétrica para o Material_ID

Para conferência dos resultados, é possível plotar em um mesmo gráfico o torque em função do tempo com variações de aço para o rotor e estator, conforme mostra a Figura 3.4.

Figura 3.4: Torque em Função do Tempo para os Diferentes Materiais

Percebe-se nitidamente a influência nos resultados em função dos materiais empregados.

4. Aplicação no Ansys HFSS

Simulou-se uma antena patch de microfita elíptica (Vide Figura 4.1) para uma frequência de 10 GHz, parametrizando diferentes materiais do substrato da antena. 

Figura 4.1: Antena Patch Elíptica

Criou-se o Array (HFSS > Design properties > Add Array > Append Rows) com os seguintes materiais: Duroid (tm), FR4_epoxy e Teflon (tm). Neste exemplo, utilizaram-se os materiais padrão da biblioteca de materiais do AEDT.

Figura 4.2: Adicionando Array com os Materiais e Atribuindo para o Substrato

Novamente, criou-se uma análise paramétrica para o Material_ID variando de 0 a 2 com passos de 1. Por fim, plotou a perda de retorno da antena (Parâmetro S11) para verificar o comportamento em função dos diferentes materiais, conforme pode ser visto na Figura.

Figura 4.3: Perda de Retorno (Parâmetro S11) nos Diferentes Materiais de Substrato

Novamente, percebe-se nitidamente a influência nos resultados em função dos materiais empregados.

5. Conclusão

Este artigo apresentou uma abordagem para realizar simulações com variação de materiais no AEDT, exemplificando com aplicações no Ansys Maxwell e Ansys HFSS. Foi demonstrado como criar uma matriz de materiais e aplicar uma análise paramétrica para avaliar o impacto da substituição de materiais em componentes específicos, como o rotor e o estator de um motor, ou o substrato de uma antena patch.

A metodologia descrita permite a realização de análises comparativas de maneira eficiente, otimizando o processo de escolha de materiais para diferentes projetos. A capacidade de alterar dinamicamente os materiais dentro de uma simulação possibilita a visualização imediata dos efeitos dessas mudanças no desempenho do dispositivo, economizando tempo e recursos durante a fase de design e otimização.