Métodos de modelação de processos complexos que poupam tempo

Do setor automóvel ao da produção, as simulações e os gémeos digitais são hoje cruciais para muitas empresas. Neste contexto, o software convencional é muitas vezes inadequado para a modelação de processos altamente dinâmicos. Por isso, os investigadores do Instituto Fraunhofer de Matemática Industrial ITWM desenvolveram uma ferramenta denominada MESHFREE que funciona sem uma malha computacional rígida e pode poupar muito tempo na simulação de processos complexos, para além de reduzir custos. Os seus esforços valeram-lhes o Prémio Joseph von Fraunhofer 2024.

Especificações rígidas raramente se adaptam bem a processos ágeis, e o que é verdade para as organizações é duplamente verdade para os métodos de simulação. Na modelação de processos complexos, como a aquaplanagem ou a maquinagem virtual de metais, não é possível prever os movimentos de todos os componentes e configurá-los numa malha computacional adequada, como as habitualmente utilizadas em simulações.

Um grupo de investigação do Fraunhofer ITWM enfrentou este desafio há mais de 20 anos. “A nossa primeira tarefa na equipa de projeto foi simular a forma como um airbag se abriria numa colisão de um veículo”, explica Jörg Kuhnert, que já fazia parte do grupo nessa fase. “Na altura, não havia forma de verificar rapidamente a segurança dos novos desenvolvimentos neste domínio, para além dos dispendiosos testes de colisão no mundo real.” Isto porque quanto mais objetos se movem e interagem uns com os outros num cenário, mais difícil é modelá-los de forma fiável e com níveis razoáveis de tempo e esforço utilizando métodos de simulação tradicionais.

Com base na tese de Kuhnert, a equipa - à qual se juntou, em 2012, Isabel Michel, que se dedica às turbinas Pelton - desenvolveu a inovadora abordagem sem malha para enfrentar este desafio. Esta nova abordagem permite virtualizar situações muito complexas e dinâmicas, nalguns casos pela primeira vez. Desde então, todos os resultados da investigação da equipa foram incorporados no software MESHFREE. O resultado é uma ferramenta de simulação com uma proposta de venda única: a nível mundial, nenhuma outra ferramenta permite a utilização do Método das Diferenças Finitas Generalizadas (GFDM, na sigla em inglês) em aplicações industriais.

Tradicionalmente, as simulações utilizam o método dos elementos finitos, no qual os engenheiros concebem uma malha que se ajusta à geometria relevante e a utilizam como base para calcular as alterações em cada elemento individual. O processo inicial de configuração da estrutura da malha já consome muito tempo e requer ajustes frequentes durante a simulação. Em contrapartida, o programa MESHFREE combina o método de diferenças finitas generalizadas - que utiliza para resolver as equações de conservação da massa, do momento e da energia -, com algoritmos eficientes para resolver sistemas lineares de equações. Estes algoritmos foram desenvolvidos em colaboração com o Instituto Fraunhofer de Algoritmos e Computação Científica SCAI e oferecem uma enorme vantagem, uma vez que a nuvem de pontos numéricos utilizada pode ser adaptada de forma flexível a geometrias em movimento. Isto elimina a necessidade de laboriosas correções posteriores da malha computacional. Kuhnert e Michel receberam o Prémio Joseph von Fraunhofer 2024 pelo seu desenvolvimento, que pode substituir os testes no mundo real.

O método premiado pode ser utilizado numa vasta gama de aplicações. Uma área de interesse atual é o setor automóvel. Para além da simulação de airbags, os investigadores têm vindo a colaborar com parceiros industriais de muitas formas diferentes, por exemplo, na modelação da condução em ambientes com água ou do comportamento de veículos em areia ou gravilha. Na engenharia de processos, o MESHFREE tem ajudado as empresas a otimizar os parâmetros do processo quando trabalham com vidro fundido e produzem peças de plástico.

Fundamentalmente, este método pode ser utilizado em qualquer lugar onde seja necessário substituir as medições ou as experiências, ou onde estes métodos não funcionem bem ou não funcionem de todo. Michel resume: “Não estamos obcecados com os casos de utilização tradicionais da dinâmica de fluidos computacional. O MESHFREE pode fazer muito mais. Queríamos que a ferramenta fosse mais geral”. Isto significa que o software tem um grande potencial para reduzir custos e poupar tempo e material em muitos outros domínios de aplicação.

Prémio Joseph von Fraunhofer

Desde 1978, a Fraunhofer-Gesellschaft atribui anualmente o Prémio Joseph von Fraunhofer aos seus colaboradores por realizações científicas excecionais no desenvolvimento de soluções para problemas práticos. Este ano, serão atribuídos três prémios de 50.000 euros cada a grupos de investigadores de diferentes institutos.

A Fraunhofer-Gesellschaft, sediada na Alemanha, é uma das principais organizações de investigação aplicada do mundo. Desempenha um papel crucial no processo de inovação, dando prioridade à investigação em tecnologias-chave do futuro e transferindo os resultados da sua investigação para a indústria, a fim de reforçar a Alemanha como centro de atividade industrial e em benefício da sociedade. Fundada em 1949, a Fraunhofer-Gesellschaft tem atualmente 76 institutos e unidades de investigação em toda a Alemanha. Os seus quase 32.000 empregados, na sua maioria cientistas e engenheiros, trabalham com um volume de negócios anual de 3,4 mil milhões de euros, dos quais 3 mil milhões de euros provêm da investigação por contrato.