Skip to Main Content

      

ANSYS BLOG

December 2, 2020

3 étapes pour améliorer les modèles d'analyse par éléments finis

Le développement d'un modèle d'analyse par éléments finis (FEA) efficace et réussi peut être une expérience frustrante pour les ingénieurs concepteurs. Le modèle doit être simple et facile à reproduire tout en étant suffisamment complexe pour fournir des résultats d'essai valides. Cela crée un problème lorsque les modèles sont souvent trop simplifiés et approximatifs pour fournir une analyse précise, ou que le modèle est trop compliqué pour être traité facilement. Différents types de modèles nécessitent également différents types de génération de maillage. Enfin, les charges doivent être appliquées avec précision pour obtenir des résultats exacts. Nous allons aborder chacun de ces défis et leurs solutions.
 

Comment améliorer un modèle d'analyse par éléments finis : Simplification du modèle

Une étape importante dans l'amélioration d'un modèle FEA est la simplification du modèle. Cependant, le modèle doit être simplifié de la bonne manière pour obtenir des analyses précises.


Un exemple de simulation d'une analyse par éléments finis dans Ansys Sherlock

La génération de la géométrie du modèle est l'un des aspects les plus difficiles de l'analyse par éléments finis. Les utilisateurs débutants de l'analyse par éléments finis commettent souvent l'erreur de croire qu'un modèle de conception assistée par ordinateur (CAO) créé dans le cadre du processus de conception du produit peut être directement intégré à une étude par éléments finis. Les modèles CAO des concepteurs comportent généralement des détails considérables, dont l'intégration dans une analyse de simulation nécessiterait des heures ou des jours de traitement.

Regardez le webinaire à la demande "ECAD to FEA in 5 minutes" pour en savoir plus.

Cependant, une grande partie de ces détails sont souvent inutiles dans l'analyse par éléments finis. Pire encore, l'inclusion de détails inutiles dans un modèle d'analyse par éléments finis peut se traduire par des maillages de mauvaise qualité, des temps d'exécution de simulations inefficaces et des résultats inexacts.

Pour un analyste, comprendre quand et comment simplifier un modèle qui lui a été transmis par un concepteur est une compétence clé pour une simulation FEA efficace.

Optimisation de l'analyse par éléments finis : Suppression des caractéristiques inutiles des objets

Les congés et les arrondis sont sans doute les détails les plus courants qui peuvent être immédiatement supprimés de la plupart des modèles CAO. Les bords vraiment carrés existent rarement dans le monde réel. Les arêtes sont généralement arrondies et les modèles de CAO incluent souvent cet arrondi sur de nombreux corps géométriques, voire sur tous. Cependant, les bords carrés sont beaucoup plus faciles à mailler dans le monde de l'analyse par éléments finis, et la plupart des petits filets/arrondissements n'affecteront pas les calculs de déplacement global. Les outils de CAO disposent généralement d'une fonction qui facilite la suppression des filets/arrondissements, comme la commande de remplissage dans Ansys SpaceClaim. L'utilisation appropriée de ces fonctions permet de réduire rapidement la complexité du modèle avec peu d'efforts de la part de l'utilisateur.


Suppression incrémentale des ronds dans Ansys SpaceClaim
 

Incorporant des géométries et des contraintes efficaces

Une autre simplification courante consiste à supprimer les corps insignifiants ou à les remplacer par des géométries ou des contraintes efficaces. Par exemple, la plupart des assemblages mécaniques comprennent des éléments de fixation, comme des boulons et des rivets. Il peut parfois être nécessaire d'inclure la géométrie d'un boulon dans le modèle ; cependant, dans de nombreux cas, les géométries de boulons peuvent être remplacées par des géométries 3D grandement simplifiées, des éléments de poutre 1D ou même supprimées entièrement et approximées par des contraintes de contact rigide ou des conditions limites fixes.

Les résultats des chocs mécaniques montrent des résultats globaux et locaux négligeables lorsque la taille est très faible.
Les composants de la puce sont inclus (à gauche) et ceux qui sont exclus (à droite).
 

Par exemple, si un choc mécanique est simulé sur un assemblage de carte de circuit imprimé (PCBA) de 12x12 pouces, les très petits composants tels que les résistances 0201 n'auront aucun effet sur la rigidité globale du modèle et peuvent être entièrement supprimés. Les composants plus grands, tels qu'un SOIC 16 broches, devront peut-être être modélisés, mais la soudure peut être remplacée et remplacée par un contact rigide entre les fils et la carte. Ansys Sherlock est un outil qui peut aider à générer un modèle prêt pour l'analyse par éléments finis à partir des informations disponibles au stade de la conception d'un PCBA en prenant les informations ECAD destinées à la fabrication du PCBA et en automatisant la création d'un modèle de PCBA simplifié, maillé et prêt pour l'analyse par éléments finis.
 

Comment améliorer un modèle d'analyse par éléments finis : Génération correcte du maillage

Au-delà de la défaite d'un modèle, un certain nombre de décisions doivent être prises pour une génération de maillage appropriée. Ansys-DfR prend généralement en compte trois domaines lors de la création de maillages précis :

  • Choix des éléments coques et solides
  • Choix des éléments hex (briques) et tet (pyramides)
  • Choisir la taille de maille et l'ordre de maille appropriés


Coque et élément solide

Le plus souvent, la géométrie CAO sera entièrement composée de corps tridimensionnels. Toutefois, dans un modèle d'analyse par éléments finis, il peut être avantageux de mailler certains de ces corps avec des éléments de coque plutôt qu'avec des éléments solides 3D.

Les éléments de coque sont des approximations 2D de la géométrie 3D qui stockent l'épaisseur d'un corps comme une propriété physique. Ils peuvent être utilisés pour les géométries à parois minces dont la longueur est bien supérieure à l'épaisseur du corps, et lorsque la déformation en cisaillement est insignifiante (par exemple, un châssis en tôle ou les parois d'une canette de soda). Il existe également des éléments spéciaux de renforcement des coques et des poutres qui peuvent être utilisés pour modéliser les fines couches de cuivre à l'intérieur d'une carte de circuit imprimé (PCB).

Les caractéristiques des PCB en cuivre sont modélisées comme des renforts de coque et de poutre

Les nouvelles fonctionnalités d'Ansys Sherlock permettent la génération rapide de ces géométries de renforcement. Ces renforcements permettent à l'utilisateur de capturer efficacement l'effet des traces sur les déformations de la carte.

En outre, l'intégration adéquate d'éléments de coque dans les modèles d'analyse par éléments finis peut améliorer considérablement le temps d'exécution de la simulation et la précision des résultats. Lorsqu'ils sont utilisés de manière appropriée, les éléments de coque peuvent généralement générer un maillage de meilleure qualité sur des structures à paroi mince (comme la tôle) avec un nombre d'éléments beaucoup plus faible, ce qui permet d'obtenir des résultats plus précis pour un coût de calcul considérablement réduit. Les outils de CAO tels que la fonction "Create Midsurface" d'Ansys SpaceClaim peuvent aider à préparer les géométries pour le maillage coque.


Corps solide (à gauche) remplacé par un corps surfacique (à droite) à l'aide de l'outil Ansys SpaceClaim Midsurface.

Il peut sembler intuitif de supposer que le maillage 3D produit plus de détails, ce qui donne des résultats plus précis. Mais ce n'est pas toujours le cas. En particulier dans le cas de grandes flexions, les éléments solides créent souvent des structures artificiellement rigides lorsqu'ils sont utilisés pour mailler des géométries à paroi mince, ce qui donne lieu à des simulations inexactes. En outre, il peut être très difficile d'affiner le maillage et de générer suffisamment d'éléments dans l'épaisseur d'une structure à paroi mince pour obtenir des résultats précis en matière de déplacement et de contrainte.

De plus, si la géométrie est suffisamment complexe, les structures à parois minces peuvent donner lieu à un maillage de mauvaise qualité lorsque des éléments solides sont utilisés, créant des éléments en forme d'éclats avec des rapports d'aspect médiocres, ce qui affecte négativement les résultats.
 

Hex vs. Tet Elements

Pour déterminer s'il faut utiliser des éléments hexaédriques (hex) ou tétraédriques (tet) dans la configuration d'un modèle d'analyse par éléments finis, il est important de garder à l'esprit la forme globale et la complexité de l'objet lui-même. La règle générale est de mailler avec des éléments hexaédriques si possible. Les éléments hexaédriques ou "briques" donnent généralement des résultats plus précis que les éléments tétraédriques pour un nombre d'éléments inférieur. Toutefois, si l'objet contient des angles aigus ou d'autres géométries complexes, il peut être nécessaire de mailler avec des éléments tétraédriques.


Un corps identique maillé avec des éléments hexagonaux (à gauche) et des éléments tet (à droite).

Il est préférable de simplifier suffisamment le modèle pour le mailler entièrement avec des briques, mais cela n'est pas toujours faisable. Pour les géométries complexes qui nécessitent des maillages en tet, il faut veiller à ce que le maillage n'entraîne pas de résultats inexacts. Cela signifie généralement un nombre d'éléments plus élevé, des éléments d'ordre supérieur et des temps d'exécution plus longs.

Pour ces raisons, toute simplification du modèle, comme la suppression des congés ou la division du corps, qui permet un maillage hexagonal sans modifier sensiblement la géométrie, est fortement recommandée.
 

Taille des mailles et commande

Une bonne compréhension de l'ordre et de la taille du maillage est essentielle pour trouver l'équilibre entre des résultats précis et des temps d'exécution raisonnables dans une analyse par éléments finis.

Le maillage désigne simplement la longueur de l'arête caractéristique d'un élément. Un maillage plus petit se traduit par un plus grand nombre d'éléments dans le modèle, ce qui se traduit par des temps d'exécution plus longs et des résultats plus précis. Ordre décrit la fonction de forme utilisée pour calculer les déplacements des éléments.

Les éléments de premier ordre ont des nœuds uniquement aux coins des éléments et calculent le déplacement de manière linéaire entre les nœuds. Les éléments de deuxième ordre comprennent des nœuds centraux entre les coins et calculent le déplacement de manière quadratique. Les détails supplémentaires des éléments de second ordre permettent généralement d'améliorer la précision, mais au prix d'une augmentation significative du coût de calcul.


Un élément quadratique (à gauche) et un élément linéaire (à droite). Les nœuds sont surlignés en vert.
Notez les nœuds centraux entre les coins de l'élément de second ordre.

La clé pour générer des maillages FEA efficaces est de trouver un équilibre approprié entre l'ordre et la taille pour le problème particulier qui est analysé. Dans la mesure du possible, utilisez des éléments du second ordre et affinez le maillage par itération jusqu'à ce que les résultats convergent. Cependant, pour des problèmes beaucoup plus importants dont la résolution est de l'ordre de plusieurs jours, même avec un calcul haute performance, cela peut ne pas être possible. Dans ces cas, l'analyste devra faire appel à son expérience pour prendre les décisions appropriées concernant la taille et l'ordre du maillage.
 

Comment améliorer un modèle FEA : Applications correctes des charges

Déterminer les applications de charge appropriées est une étape importante de l'analyse par éléments finis. Les applications de charge sont les entrées du modèle pour lesquelles l'objet est testé, comme un événement spécifique tel qu'un cycle thermique, un choc dû à une chute, une vibration ou une flexion statique. Il est essentiel de comprendre les nuances de l'application des charges pour simuler un événement auquel l'objet sera confronté dans un environnement réel.

Un exemple courant consiste à déterminer si les charges appliquées doivent être considérées comme statiques ou transitoires. Par exemple, si un ingénieur simule la flexion d'une structure pendant l'assemblage, il peut être acceptable de modéliser la charge comme un déplacement statique parce que les taux de déformation sont probablement beaucoup plus lents et les résultats indépendants du temps. Cependant, si un ingénieur modélise une flexion similaire causée par la chute du même assemblage, il devra probablement utiliser un modèle transitoire pour capturer les effets inertiels associés, car le temps d'application de la charge est beaucoup plus rapide et les effets dépendants du temps doivent être capturés.

Dans le monde de la simulation électronique, nous sommes souvent confrontés à un cas similaire lors de la simulation du cycle thermique. Par exemple, lors de l'étude de la dilatation thermique au niveau de la carte (plutôt qu'au niveau du composant), des approximations linéaires des propriétés des matériaux peuvent souvent être utilisées et des rampes de température statiques et indépendantes du temps peuvent être raisonnables. Ceci est acceptable lorsque le déplacement au niveau de la carte et les contraintes/déformations élastiques sont au centre de l'analyse plutôt que les contraintes/énergies de fluage. Cependant, lors de l'étude de la fatigue de la soudure au niveau du composant, les propriétés de fluage de la soudure dépendant du temps doivent être incluses. Dans ce cas, il est important d'appliquer avec précision la rampe et les temps de séjour du cycle thermique, plutôt que de simplement augmenter la température de façon linéaire. Les modèles de fluage incluent des propriétés dépendant du temps, les cycles simulés doivent donc être modélisés dans leur intégralité pour calculer avec le plus de précision possible les résultats de déformation/énergie de fluage qui sont utilisés pour faire des prédictions de fatigue de la soudure.

Le même événement du monde réel n'est pas toujours égal dans le monde de l'analyse par éléments finis, selon le résultat souhaité de l'analyse. Il est important de toujours garder à l'esprit les contraintes du monde réel auxquelles l'objet sera probablement confronté et la manière dont ces contraintes pourraient affecter le composant concerné. En saisissant correctement ces nuances, vous obtiendrez une analyse précise, valide et exploitable.

Avec le bon prétraitement, vous pouvez augmenter considérablement la vitesse de l'analyse par éléments finis sans affecter sa précision.

Regardez le webinaire à la demande ECAD to FEA in 5 Minutes pour en savoir plus.

Découvrez ce qu'Ansys peut faire pour vous

Contactez-nous aujourd'hui

* = Champ requis

Merci de nous contacter !

We’re here to answer your questions and look forward to speaking with you. A member of our Ansys sales team will contact you shortly.

Image de pied de page