L’analyse par éléments finis est une technique numérique très répandue dans le développement de nouveaux produits à haute valeur ajoutée ou à haute responsabilité. Cette technique renvoie à une multitude d’applications industrielles, mais la plus connue est peut-être son application au calcul des structures, car c’est le premier domaine d’application et aussi celui où elle est le plus intensivement utilisée.
Le premier logiciel d’analyse par éléments finis a été développé par la NASA en 1965, NASTRAN (NASA STRUCTURAL ANALYSIS PROGRAM), dans le cadre d’un projet financé par le gouvernement américain pour effectuer des calculs structurels dans le cadre de projets aéronautiques et spatiaux. De nombreux solveurs structurels sont aujourd’hui disponibles pour l’analyse par éléments finis, notamment NASTRAN, Abaqus Standard et Ansys en tant que solveurs implicites et Abaqus Explicit, LS-Dyna, PamCrash et Radioos en tant que solveurs explicites.
OUTILS POUR L’ANALYSE PAR ÉLÉMENTS FINIS
À l’ICEMM, nous travaillons toujours avec les meilleurs outils logiciels de simulation et nous disposons actuellement de licences pour Abaqus Standard/Explicit et MSC Nastran pour l’analyse par éléments finis appliquée à l’analyse structurelle linéaire et non linéaire, à l’analyse dynamique implicite et explicite, à l’analyse de la fatigue et des fractures, et à l’analyse thermique.
L’application de la méthode des éléments finis n’est pas exclusive à l’analyse des structures, mais trouve des applications dans d’autres domaines de simulation tels que l’analyse CFD (Computational Fluid Dynamics), l’analyse acoustique et l’analyse électromagnétique, même s’il est vrai que pour l’analyse CFD, il est plus courant d’utiliser des techniques basées sur la méthode des volumes finis (Finite Volume Method – FVM).
A l’ICEMM, dans le cadre de notre stratégie basée sur l’innovation et la recherche de nouveaux défis technologiques, nous avons commencé à développer des projets de simulation acoustique pour aider les industriels à réduire l’empreinte acoustique de leurs développements. Pour ce faire, nous disposons d’Actran, le logiciel de simulation acoustique leader sur le marché. Actran est un logiciel d’analyse par éléments finis qui permet de résoudre efficacement les problèmes de propagation acoustique, de vibro-acoustique et d’aéro-acoustique dans toute la gamme de fréquences.
COMMENT L’ICEMM EFFECTUE SES ANALYSES PAR ÉLÉMENTS FINIS
Le processus que nous suivons toujours à l’ICEMM lorsque nous devons effectuer une analyse par éléments finis consiste à rencontrer notre client pour évaluer l’adéquation de la méthode au problème à résoudre.
Il est important d’identifier avec nos clients si la méthode est applicable (elle n’est pas toujours la plus appropriée, surtout si le problème peut être résolu analytiquement, ce qui est beaucoup plus facile, moins coûteux et tout aussi fiable), d’établir les hypothèses à faire et d’étudier les inputs disponibles (dans de nombreuses occasions, il est nécessaire de simplifier l’analyse, toujours du côté de la sécurité, en raison d’un manque de données). Il est également important d’évaluer le niveau de responsabilité de l’étude, car le standard de qualité n’est pas le même dans l’industrie aéronautique, nucléaire ou du génie civil que dans l’industrie photovoltaïque, par exemple.
Une fois que la portée de la simulation a été définie conformément aux points précédents, nous pouvons commencer à travailler sur le modèle de simulation. Pour réaliser l’analyse par éléments finis, outre les solveurs de premier niveau, nous devons déterminer les points suivants :
- Outils de pré et post-traitement : la création du modèle d’éléments finis consomme beaucoup de ressources en termes d’heures d’ingénierie dans la phase de pré-traitement, ce qui a un impact sur le coût de développement. Pour optimiser ces temps, l’ICEMM dispose des meilleurs outils de maillage disponibles. Pour les géométries complexes, nous utilisons Hypermesh, et pour les géométries plus simples, nous utilisons Abaqus CAE. Nous introduisons actuellement MSC Apex d’Hexagon, un outil qui nous a agréablement surpris dans les tâches de nettoyage de géométrie et de maillage, et qui complétera nos capacités actuelles.
- Maillage et type d’éléments : sur ce point, de nombreuses références bibliographiques évoquent les études de sensibilité qui doivent être réalisées, tant pour le maillage que pour le type d’éléments, en fonction du problème à étudier. Ce processus, qui est correct, implique un coût élevé en termes de temps et de ressources. Cependant, à l’ICEMM et après 18 ans d’expérience, nous avons établi nos propres procédures basées sur notre expérience et sur les procédures des grandes entreprises aéronautiques et automobiles, qui nous permettent de prédéfinir ces paramètres, ce qui nous permet d’optimiser les coûts associés. Dans notre blog, vous pouvez lire quelques articles sur ces sujets :
- Charges : l’un des points clés de toute analyse par éléments finis. Si les charges sont erronées, l’analyse par éléments finis sera également erronée. Dans cette section, nous conseillons à nos clients de définir correctement les charges à appliquer, soit parce qu’elles sont définies par la réglementation, soit parce qu’elles doivent être calculées au préalable car elles dépendent du comportement de la structure (charges dynamiques) ou parce qu’elles y sont couplées (charges aéroélastiques).
- Conditions aux limites : ce point est a priori simple à définir, cependant, nous trouvons de nombreuses erreurs dans les rapports externes dues au manque d’expérience de l’ingénieur qui réalise l’étude. Comme pour le point précédent, si les conditions aux limites sont erronées, les résultats de l’analyse par éléments finis le seront également. Les conditions aux limites doivent être définies en fonction des contraintes réelles et, si elles ne peuvent pas être représentées, toujours du point de vue de la sécurité.
- Matériaux : la difficulté de définir correctement les matériaux est liée à la complexité de l’analyse par éléments finis que nous voulons effectuer. Si nous effectuons une analyse linéaire avec des matériaux isotropes, il ne sera pas difficile de définir correctement le matériau, car nous disposons de vastes bases de données contenant les données nécessaires. Cependant, si nous voulons définir le comportement non linéaire du matériau, en fonction du temps, de la température ou de la vitesse de déformation, des matériaux composites, des dommages ou des fractures, les choses changent car, souvent, les propriétés ne sont définies dans aucune base de données et nous devons utiliser des publications techniques contrastées ou effectuer des tests sur le matériau.
QUEL EST LE COÛT D’UNE ANALYSE PAR ÉLÉMENTS FINIS ?
La réponse à cette question dépend de ce que le client recherche. S’il veut juste un rapport simple avec des “couleurs” pour couvrir le dossier d’un certain développement et réalisé avec un logiciel “simple” d’éléments finis, la réponse est non, des études très bon marché peuvent être trouvées. Dans ce cas, l’ICEMM n’est pas le fournisseur qu’il vous faut.
Si, en revanche, vous recherchez une analyse par éléments finis de qualité qui réponde aux exigences et donne une confiance totale dans les résultats obtenus, le coût de l’analyse par éléments finis peut être élevé, bien qu’il dépende toujours de l’étendue de l’analyse.
Il faut garder à l’esprit que dans ces cas, les licences de logiciels d’éléments finis sont très coûteuses, soit environ 20-22 000€/an pour un solveur FEM de premier niveau avec un seul cœur (si nous avons de très grands modèles, nous devrons utiliser une plus grande capacité de calcul pour obtenir des résultats dans des délais raisonnables et acquérir plus de licences), plus 14-15 000€/an pour un pré-processeur de qualité, plus la machine de calcul (20 000€ pour un serveur de moyenne-haute puissance avec 2 sockets) plus les heures de travail des ingénieurs.
Il est important de souligner que les grands modèles de simulation, tels que ceux utilisés dans l’analyse des collisions dans le secteur automobile, peuvent nécessiter des centaines de cœurs et de jetons (licences) pour pouvoir effectuer les simulations dans les délais requis. Aujourd’hui, pour résoudre ces problèmes, il est plus efficace d’utiliser l’informatique en nuage offerte par nos partenaires technologiques dans le domaine de la simulation IAO.
Malgré le coût de ce type de services, le développement d’une analyse par éléments finis avec la qualité offerte par l’ICEMM est toujours une garantie de retour sur investissement, car il permet à nos clients de générer des conceptions plus efficaces, optimisées et sûres.
ICEMM, VOTRE RÉFÉRENCE EN MATIÈRE D’ANALYSE PAR ÉLÉMENTS FINIS
L’excellence de nos services est confirmée par l’engagement continu d’entreprises industrielles de renom, tant au niveau national qu’international, telles qu’Airbus, INDRA, Navantia, ELECNOR, SENER, entre autres. En outre, des entreprises plus petites, telles que LODEPA ou Fagor Electrónica, font appel à nos services pour leurs projets, consolidant ainsi la position de l’ICEMM en tant que référence dans le domaine de l’analyse par éléments finis.
Il est également important de souligner l’expérience de l’ICEMM dans d’autres domaines de la simulation, tels que la simulation de fluides à l’aide de techniques CFD (Computational Fluid Dynamics) et l’analyse de particules couplées ou découplées avec le fluide au moyen de la simulation DEM (Discrete Element Method).
Dans le domaine de la simulation des fluides, l’ICEMM est spécialisé dans l’analyse thermique, la climatisation (y compris les centres de données), la ventilation et l’évacuation des gaz, l’hydraulique et l’aérodynamique.
Dans le domaine de la simulation des particules, nous avons une grande expérience dans la simulation des processus de particules et dans l’étude de la fluidisation des lits de particules solides (par exemple, les réacteurs de biomasse).
