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ANSYS BLOG

June 23, 2021

Comment mailler et simuler des soudures avec Ansys Mechanical

Dans notre précédent blog, The Fundamentals of FEA Meshing for Structural Analysis, nous avons expliqué ce qu'est le maillage en analyse par éléments finis (FEA), les types de méthodes de maillage et pourquoi un maillage de bonne qualité est important pour la précision de vos simulations.

Reprenons l'exemple du cadre de moto de ce blog. L'utilisation de différentes stratégies de maillage là où les soudures ou les connexions boulonnées sont situées sur votre géométrie vous permet de créer un maillage plus raffiné à certains endroits plutôt que sur l'ensemble du modèle, ce qui peut prendre plus de temps à résoudre. Dans ce blog, nous allons aborder le maillage des soudures et expliquer pourquoi il est important d'avoir un maillage de bonne qualité pour une analyse de soudure.

La géométrie du cadre d'une moto montre différents types de connexions soudées.

Motorcycle frame geometry shows different types of welded connections.

 

Types d'éléments utilisés dans les structures soudées

Les soudures sont un procédé de fabrication pratique qui utilise la chaleur pour relier plusieurs pièces en faisant fondre le matériau dans une région localisée et en fusionnant les métaux de base à assembler. Les soudures sont courantes dans les pièces moulées épaisses, comme les blocs moteurs, et dans les pièces à paroi mince, comme les cadres des automobiles.

La simulation est une méthode largement utilisée et bien établie pour analyser la résistance et la durabilité de ces structures soudées. Une attention particulière au maillage des soudures vous permet de calculer avec précision la durée de vie utile des soudures et de représenter la rigidité de la structure pour l'analyse des collisions ou du bruit, des vibrations et de la rudesse (NVH).

Pour l'analyse des structures soudées, on utilise généralement un mélange d'éléments solides, de coques et de poutres.

Alors que les éléments solides peuvent être utilisés pour modéliser des pièces volumineuses fabriquées par des procédés de moulage et de forgeage, les éléments de coque et de poutre sont pratiques pour représenter des géométries à paroi mince fabriquées par des opérations de formage, de laminage et d'étirage de la tôle. En liant le changement de courbure dans les éléments de poutre et de coque aux déformations, les sections minces peuvent être facilement représentées par des modèles de plus petite taille, mais très précis.

Soudures simulées comme éléments de coque et de poutre

Welds simulated as shell elements (right) and welds simulated as beam elements (left).

 

Maillage et simulation des soudures

Utilisation d'un maillage structuré ou non structuré pour simuler des soudures

La technologie de maillage pour les géométries complexes à parois minces a considérablement progressé et a rendu possible les maillages structurés - même pour les géométries complexes. Dans plusieurs applications, le modèle de déformation et le changement des valeurs de déformation ont une direction préférée, ce qui rend les mailles structurées préférables.

Les maillages structurés sont pratiques car vous obtenez une solution précise, indépendante de la taille du maillage, avec des éléments relativement plus grands par rapport aux maillages non structurés. Ceci est particulièrement utile lorsque vous évaluez la durée de vie de soudures individuelles.

Représentation du maillage structuré et non structuré sur une géométrie soudée

Structured (left) vs. unstructured (right) mesh shown on welded geometry.

 

Pourquoi la simulation des soudures est un véritable défi

Un défi particulier dans l'analyse des structures soudées réside dans la création et le maillage des soudures pour l'analyse. Par exemple, une structure de châssis automobile typique peut contenir quelques milliers de soudures par points individuelles, tandis que la structure du châssis d'un véhicule tout-terrain peut contenir plusieurs douzaines de soudures de couture.

Ansys Mechanical permet aux utilisateurs de créer et de modéliser des soudures par points et des soudures à la molette de manière efficace et automatisée. Les utilisateurs peuvent créer rapidement des connexions de soudure par points en apportant les emplacements des soudures à partir de systèmes de conception assistée par ordinateur (CAO). Ils ont notamment la possibilité de contrôler la rigidité des soudures individuelles pour une représentation précise. Des outils de maillage pratiques vous permettent de créer des soudures par points avec des modèles de maillage appropriés aux emplacements de la racine de la soudure et aux zones affectées par la chaleur, qui sont essentiels pour prévoir la durée de vie en fatigue.

L'importance de la qualité du maillage et de la durée de vie des soudures

Les structures soudées sont soumises à diverses conditions de charge, notamment des charges variant de façon harmonique ou aléatoire, des réservoirs mis sous pression et dépressurisés, des châssis de voiture soumis à des accélérations, des freinages et des chocs sur la route.

Lors de l'évaluation de la durée de vie des soudures soumises à de telles charges de fatigue, il faut tenir compte du processus de soudage qui modifie les propriétés du matériau de base. Le refroidissement rapide du bain de soudure peut augmenter la dureté, mais avec une ductilité moindre. Les impuretés présentes pendant le processus de soudage peuvent également nuire à la résistance des soudures individuelles. Pour une prédiction précise de la durée de vie, vous devez également tenir compte de ce qui précède et de toute contrainte résiduelle dans le matériau de base après le processus de soudage.

Conserver les zones affectées thermiquement dans les assemblages soudés pour les calculs de fatigue.

Maintain heat affected zones in weld connections for fatigue calculations.

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Ces facteurs peuvent être pris en compte lors du calcul de la durée de vie des soudures en utilisant les outils de fatigue. Comme la prédiction de la durée de vie est sensible aux gradients de contrainte au niveau de la zone affectée thermiquement de la soudure, il est essentiel que le maillage est correctement dimensionné dans cette région.

Un maillage quadrilatéral structuré est idéal dans ces types de situations. Il est adapté pour capturer la contrainte de pointe au niveau du pied de la soudure et du gradient de contrainte élevé autour de la région. Alors qu'un maillage régulier et gradué est idéal pour évaluer la durabilité des soudures, les exigences sont les suivantes différent pour l'analyse de la sécurité en cas de collision. Dans ce cas, un maillage de taille uniforme est préférable pour l'efficacité du calcul.

Une maille mal calibrée peut augmenter le temps de solution du solveur explicite. Tant pour l'analyse de collision que pour l'analyse NVH, la précision du solveur explicite a été démontrée. La représentation de la rigidité de la soudure est la plus importante. Elle est essentielle pour le calcul précis de l'absorption d'énergie par la structure sous l'effet de la dynamique des charges de collision ou des modes de fréquence naturelle dans l'analyse modale et harmonique.

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Soudures simulées avec des éléments hexagonaux pour maintenir les emplacements de la racine et de la pointe de la soudure.

Seam welds simulated with hex elements to maintain weld root and toe locations.

 

Ansys Mechanical présente un avantage certain pour la conception paramétrique des structures soudées. La possibilité de régénérer automatiquement les soudures en fonction des modifications de conception améliore considérablement la productivité. La commodité de générer des maillages avec des paramètres minimaux pour les flux de travail relatifs aux collisions, à la durabilité et aux NVH, ainsi que la connectivité transparente avec Ansy nCode DesignLife pour le calcul de la durée de vie en fatigue, constituent une expérience utilisateur puissante.

Pour en savoir plus, consultez notre webinaire à la demande Amélioration de la productivité du prétraitement FEA par Ansys Mechanical.

Vous pouvez également suivre le cours Ansys Explicit Dynamics sur le Ansys Learning Hub.

 



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