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ANSYS BLOG

April 28, 2021

Les fondements du maillage FEA pour l'analyse structurelle

La simulation est un outil essentiel pour de nombreuses industries. Selon Grand View Research, le marché mondial des logiciels de simulation devrait connaître un taux de croissance annuel composé (TCAC) de 17,1 % entre 2021 et 2028. Il s'agit d'une augmentation substantielle - principalement en raison des nombreux avantages que les logiciels de simulation procurent aux entreprises, notamment la réduction des coûts de développement des produits, des tests physiques et des prototypes défectueux.

Dans les applications d'ingénierie assistée par ordinateur (IAO) comme la simulation, il existe plusieurs types de logiciels pour analyser votre produit, tels que l'analyse par éléments finis (FEA), la dynamique des fluides numérique (CFD) et bien d'autres. Pour réaliser une simulation IAO, l'analyse comporte trois étapes importantes : le prétraitement, la résolution et le post-traitement. Examinons l'étape de prétraitement de l'analyse par éléments finis, et plus particulièrement l'importance d'un maillage de bonne qualité.

Exemple de maillage sur une pièce de carter de boîte de vitesses.

Qu'est-ce que le maillage dans l'analyse par éléments finis ?

L'analyse par éléments finis (FEA) est une représentation mathématique d'un système physique comprenant une pièce/un assemblage, les propriétés des matériaux et les conditions limites. Dans plusieurs situations, le comportement d'un produit dans le monde réel ne peut être approché par de simples calculs manuels. Une technique générale comme l'analyse par éléments finis est une méthode pratique pour représenter des comportements complexes en capturant avec précision les phénomènes physiques à l'aide d'équations différentielles partielles. L'analyse par éléments finis a mûri et s'est démocratisée de sorte qu'elle peut être utilisée à la fois par les ingénieurs concepteurs et les spécialistes.

Le maillage est l'une des étapes les plus importantes pour réaliser une simulation précise à l'aide de l'analyse par éléments finis. Un maillage est constitué d'éléments qui contiennent des nœuds (emplacements de coordonnées dans l'espace qui peuvent varier selon le type d'élément) qui représentent la forme de la géométrie. Un solveur FEA ne peut pas facilement travailler avec des formes irrégulières, mais il est beaucoup plus heureux avec des formes communes comme les cubes. Le maillage est le processus qui consiste à transformer des formes irrégulières en volumes plus reconnaissables appelés "éléments".

Avant de commencer le maillage, vous devez d'abord télécharger une géométrie ou un modèle CAO dans, par exemple, Ansys Mechanical pour lancer le processus de simulation.

Comment préparer votre CAO/géométrie pour le maillage

Lorsque vous utilisez un logiciel de simulation d'analyse par éléments finis, tel que Mechanical, il est important de déterminer quelles caractéristiques de votre modèle CAO doivent être maillées et quelles caractéristiques ne le doivent pas. Souvent, la géométrie de la CAO est très complexe et détaillée à des fins de fabrication. Mais pour une simulation, il se peut que vous n'ayez pas besoin de tous les détails, de sorte que certaines parties de votre géométrie peuvent être défaites, ce qui signifie supprimer ces détails pour gagner du temps.

Par exemple, votre produit peut comporter une plaque signalétique. Il se peut que vous n'ayez pas besoin d'apprendre les effets physiques de cette plaque. La plaque peut donc être déformée pour éviter de créer un maillage, ce qui permet de gagner du temps en termes de maillage et de résolution.

À l'aide d'Ansys Spaceclaim, la plaque signalétique de la géométrie a été facilement défigurée pour éviter de faire une analyse potentielle inutile sur la plaque.

Un autre aspect important de la préparation de votre modèle CAO pour la simulation est la description de la relation entre deux ou plusieurs parties de votre géométrie. Par exemple, si votre géométrie partage des nœuds entre des faces (ou des arêtes) communes, il est important de décider s'il s'agira d'un maillage conforme ou non conforme. Un maillage conforme est utilisé pour les pièces assemblées par collage ou soudage. Un maillage non-conforme est utilisé pour les pièces assemblées par des contacts ou des joints. Dans Ansys Mechanical, vous pouvez mélanger ces approches pour répondre à vos besoins.

Lisez le blog 3 Steps to Improve Your FEA Model pour en savoir plus.

Types de méthodes de maillage : Tétraédrique et hexaédrique

Il existe deux grands types de méthodes de maillage. Dans ce contexte, nous nous référons à des modèles 3D :

  • Maillage d'éléments tétraédriques ou "tet".
  • Maillage d'éléments hexaédriques ou "hex".

Les éléments hexagonaux ou "briques" donnent généralement des résultats plus précis pour un nombre d'éléments plus faible que les éléments tet. S'il s'agit d'une géométrie complexe, les éléments tet peuvent être le meilleur choix. Ces méthodes de maillage par défaut ou automatiques peuvent suffire pour vous permettre d'atteindre vos objectifs, mais il existe d'autres méthodes qui vous permettent de mieux contrôler le maillage.

Maillage hybride

En mécanique, vous pouvez utiliser une méthode Multizone, qui est un hybride d'éléments hexagonaux et tet qui vous permet de mailler différentes parties de la géométrie avec différentes méthodes. Cela vous permet d'effectuer moins de préparation de la géométrie et de disposer de maillages de contrôle plus locaux.

Une géométrie de raccordement de tuyaux utilisant les capacités de maillage hybride d'Ansys Mechanical

 

Maillage par balayage

Avec le maillage par balayage, le maillage " balaie " en fait le volume et les faces pour aider à créer un maillage efficace avec un dimensionnement régulier.

Le choix de la méthode de maillage à utiliser dépend généralement du type d'analyse (explicite ou implicite) ou de physique que vous résolvez et du niveau de précision que vous souhaitez atteindre. Quelques autres options sont le maillage cartésien et les maillages en couches qui sont utilisés pour des analyses spécifiques comme la fabrication additive.

Contrôles de maillage

Les contrôles de maillage permettent d'obtenir un maillage plus précis. Ansys Mechanical vous permet de contrôler des maillages locaux, au lieu d'un maillage global qui maillerait l'ensemble du CAO avec la même méthode. Parmi les exemples de contrôles de maillage local, citons le dimensionnement local, le raffinement et la défaite de la sphère d'influence de la géométrie.

Prenons l'exemple d'un cadre de moto. Vous pouvez appliquer une approche de maillage générale sur l'ensemble de la géométrie, mais utiliser une stratégie différente aux endroits où se trouvent les soudures et les boulons. L'utilisation de commandes de maillage local vous permet de créer un maillage plus raffiné à ces endroits et de ne pas mailler la pièce entière avec des éléments plus petits, ce qui prendrait plus de temps à résoudre.

Géométrie maillée d'un cadre de moto montrant des joints soudés.

 

Pourquoi une maille de bonne qualité est-elle importante ?

En termes simples, un maillage de bonne qualité donne des résultats plus précis. Un maillage de mauvaise qualité peut entraîner des difficultés de convergence, ce qui peut conduire à des résultats incorrects et à des conclusions erronées. La qualité de votre maillage dépend de quelques scénarios :

  • Le type d'analyse que vous effectuez.
  • Le temps que vous souhaitez investir dans le maillage.
  • Le temps que vous souhaitez investir dans la résolution de ce problème.

Dans certains cas, vous pouvez être à la recherche d'une solution rapide - quelque chose qui vous aidera à clarifier une décision de conception. Dans ce cas, vous ne souhaitez pas passer beaucoup de temps à configurer votre maillage. Dans d'autres cas, vous pouvez vouloir une solution ou un résultat très précis, ce qui nécessite du temps et des efforts pour configurer votre maillage avec différentes méthodes et contrôles.

Un bon maillage possède un critère de qualité qui correspond à vos besoins (type d'analyse, niveau de précision, temps), comme la qualité des éléments et le rapport d'aspect. En définitive, nous vous recommandons de comprendre votre géométrie et d'utiliser les contrôles pour obtenir le meilleur maillage possible - ce qui, après tout, conduit à une meilleure conception du produit.

Apprenez-en plus dans notre cours Intro to Meshing sur le Ansys Learning Hub.

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