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Analyse dynamique

Simulation dynamique : alternative et complément aux tests physiques

Le recours à la simulation dynamique est un complément ou une alternative intéressante aux tests physiques dans de nombreux cas : produits ou composants d’exception voire uniques, tests physiques complexes voire impossibles à mettre en œuvre, difficulté d’approvisionnement des matériaux… autant de raisons qui orientent nos clients vers ce type de simulation.  Les atouts sont notamment :

Ces simulations numériques ne nécessitant pas de matériel physique à calibrer ou qualifier, elles n’engendrent pas de rebuts ou de déchets. Les tests physiques peuvent servir à alimenter le modèle initial et sont ensuite substituables par le modèle numérique ce qui permet de limiter la consommation de ressources physiques (matériaux, moyens humains…)
La mise en œuvre des tests physiques peut être consommatrice de temps de préparation, d’exécution, d’analyse des résultats et itérations. Avec la simulation, les résultats peuvent être obtenus en quelques heures ou quelques jours, selon leur complexité en limitant l’immobilisation de matériel.
Les simulations numériques permettent d’analyser un large éventail de scénarii grâce à un contrôle précis des paramètres, tels que les conditions de charge, les paramètres de la matière, les conditions aux limites, etc. sans être influencés par des facteurs externes, tels que la température, l’humidité, la pression, etc. Les conditions de charge incluent la définition des forces, des masses, des vitesses et des accélérations du système.
Les simulations numériques peuvent être répétées plusieurs fois avec des paramètres différents pour explorer les scénarios alternatifs et les variations des résultats contrairement aux tests physiques qui peuvent être difficiles à répéter, surtout s’ils sont destructifs.
Les simulations numériques peuvent être utilisées pour évaluer les scénarios dangereux sans risquer la sécurité des personnes ou du matériel.
Certaines grandeurs ne peuvent être mesurées qu’en utilisant des capteurs difficilement implémentables dans les zones d’intérêt ou susceptibles de perturber la dynamique du système réel. La simulation permet de s’affranchir de ces limites.

Les facteurs clés de succès de la simulation sont une bonne définition du niveau de précision attendu et une bonne compréhension de la physique du système.

La corrélation avec des tests physiques permet une validation complète du modèle.

Les analyses dynamiques peuvent être de plusieurs sortes :

  • Analyses transitoires implicites ou explicite (dynamique rapide). Ces simulations peuvent n’être constituées que de corps rigides (analyse multicorps).
  • Analyses vibratoires (modales, spectrales, PSD)
  • Analyses harmoniques

L’analyse transitoire implicite est une technique de modélisation qui permet de simuler le comportement d’un système dans le temps en utilisant des équations différentielles. Elle permet de modéliser le comportement d’un système à différents niveaux de détail, en prenant en compte les interactions entre les différentes parties du système. La simulation dynamique peut être utilisée pour étudier le comportement de systèmes complexes, tels que les systèmes mécaniques, électriques, hydrauliques ou thermiques.

La simulation dynamique rapide, quant à elle, est une technique de simulation qui permet de simuler des systèmes dynamiques avec une résolution temporelle très fine. Elle utilise des méthodes numériques plus rapides que la simulation dynamique classique pour résoudre les équations du modèle, ce qui permet de réaliser des simulations à haute fréquence. Cette technique est souvent utilisée pour étudier le comportement de systèmes soumis à des changements rapides, tels que les chocs, les explosions, etc…

Les analyses vibratoires, linéaires, se basent sur une analyse modale du système. Par traitement et combinaison de ces modes, la réponse indépendante du temps mais correspondante au spectre en fréquence appliqué peut être obtenue.

Les analyses harmoniques, quant à elles, permettent d’obtenir la réponse du système pour une fréquence donnée, sous des charges alternées. Si l’analyse modale permet de définir les fréquences de résonnance, les analyses harmoniques permettent de calculer leur réponse (déplacements, contraintes) à et autour de ces fréquences.

La simulation apporte des réponses précieuses sur les chocs, les matériaux, pour la sécurité

Dans de nombreux projets d’innovation, les simulations vont permettre de tester le comportement dans différentes conditions afin de répondre aux critères spécifiés. Voici quelques exemples de projet :

Elles peuvent s’appuyer sur des méthodes de test existantes comme le test de mouton pendule, ou du développement de tests spécifiques selon des normes (par exemple la normes horlogère NIHS 91-10) ou des critères mécaniques. Outre la modélisation d’essai, on peut mentionner les calculs de chute (chute d’une perceuse sur le sol par exemple) qui nécessite en amont du calcul la définition de l’angle de chute critique.

Les simulations dynamique peuvent être utilisées pour évaluer la sécurité de différents systèmes, tels que les infrastructures, les bâtiments, les véhicules, etc. en comprenant comment ils vont se comporter dans des conditions extrêmes ou de crise en particulier pour les éléments importants pour la sécurité (simulation EIPS). Ce type d’analyse inclut les analyses de dynamique rapides (calcul de rupture brutale d’une tuyauterie haute pression par exemple), vibratoire (effet d’un séisme sur la tenue des platines), mais aussi transitoire avec par exemple la simulation de coup de bélier dans une tuyauterie ou l’ouverture d’une vanne de sécurité dans une boucle de fluide.
Les propriétés de matériau doivent également être définies pour chaque élément, telles que la densité, le module d’élasticité, le coefficient de Poisson, etc. Dans le cadre de sa démarche RSE, le client souhaite privilégier l’utilisation de matériaux bio sourcés et recyclables sans dégrader la qualité de son produit final, la simulation a permis d’orienter les choix matériaux, de limiter le nombre de prototypes physiques et de raccourcir la durée de la campagne de tests physiques.
La simulation dynamique peut être utilisée pour modéliser les phénomènes naturels tels que les tremblements de terre, les vagues océaniques, etc. en comprenant comment les forces et les mouvements agissent sur ces systèmes.

Suivant les analyses choisies, les solutions logicielles utilisées chez DAES seront principalement :

  1. Abaqus, LS-DYNA : calcul par éléments finis, impacts et chocs sur tout type de matériaux (visco-élastiques, composites, plastique….) avec prise en compte si nécessaire des phénomènes thermiques et fluidiques.
  2. OpenModelica : systèmes de contrôle, électriques, mécaniques, thermiques en 1 dimension, pendant OpenSource d’outil tels que Simulink ou Dymola
  3. Ansys Mechanical pour les analyses dynamiques implicites, vibratoires, harmoniques.
  4. Ansys Mechanical pour les simulations de dynamique de corps rigides (similaire à  MSC Adams) pour, par exemple, la suspensions de véhicules, les systèmes de freinage, les mécanismes de levage,…