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Auteur(s)
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Franck POURROY : Ingénieur de l’École nationale supérieure d’hydraulique et de mécanique de Grenoble - Docteur de l’Institut national polytechnique de Grenoble
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L‘activité de conception est un processus complexe de création. Elle consiste à élaborer un produit ou un système conformément aux exigences d’un client, et dans le respect de certaines règles ou normes, ce qui revient à borner le domaine de création du produit. Elle se doit en outre de garantir la rentabilité financière de l’entreprise.
L’élaboration d’un cahier des charges fonctionnel (CdCF) permet d’appréhender la complexité du projet par une structuration en fonctions et contraintes auxquelles sont associés des critères d’appréciation, en précisant leur niveau et leur flexibilité. Certaines de ces fonctions et contraintes vont plus particulièrement nous intéresser ici. Ce sont celles qui font référence au comportement méca-nique, thermique, électrique ou électromagnétique du produit. Mais qu’elles aient été ou non formulées dans un CdCF, ces fonctions et contraintes à caractère comportemental sont présentes dans tout projet et il est nécessaire de disposer d’outils et de méthodes pour concevoir un produit capable de les satisfaire.
En ce qui concerne le comportement mécanique du produit, l’ingénieur ou le concepteur dispose d’un large éventail de méthodes dont notamment :
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les méthodes basées sur des connaissances « métiers » telles que des abaques, lois empiriques, banques de données, etc. ;
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les méthodes de calcul simplifiées telles que la résistance des matériaux ;
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les méthodes de calcul plus élaborées, généralement supportées par l’outil informatique, la méthode des éléments finis (MEF) étant la plus largement utilisée ;
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les méthodes d’optimisation.
La mise en œuvre et l’utilisation pertinentes de ces méthodes, et plus particulièrement de la méthode des éléments finis, sont discutées dans cet article. L’enjeu est de taille puisque dans un contexte industriel fortement concurrentiel, il s’agit de :
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réduire les coûts (optimisation des formes et des volumes de matière, choix des matériaux, diminution du nombre de prototypes, etc.) ;
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réduire les délais (limiter le nombre d’itérations dans le processus de conception, proposer directement des solutions viables du point de vue comportemental, mieux cibler les essais, etc.) ;
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améliorer la qualité (assurer le respect des différentes fonctions et contraintes en termes de fiabilité, confort, ergonomie...).
Le champ d’application des méthodes aux éléments finis est très vaste. Elles ont prouvé leur efficacité dans le cas de problèmes simples comme pour des calculs de grande complexité. Ce champ couvre toutes les applications de la mécanique des structures (statique linéaire, plasticité, flambage, matériaux composites, dynamique, chocs, frottements...), mais aussi de la mécanique des fluides, de la rhéologie, des échanges thermiques, des calculs électromagné-tiques, etc.
Dans l’article, il est fait principalement référence aux problèmes de mécanique des structures mais les réflexions menées sont en grande partie transposables aux autres domaines de la physique.
L’article A 5 090 intitulé « Cahier des charges fonctionnel » apporte une information approfondie sur ce sujet [5].
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- Version courante de oct. 2019 par Franck POURROY
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Rappels théoriques sur la MEF1. La simulation numérique dans l’entreprise
Il existe différentes étapes dans l’évolution de l’activité de conception qui précisent graduellement la définition du produit ou du système, et correspondent donc à des états de plus en plus avancés du projet. Ce projet va également impliquer plus ou moins simultanément un certain nombre de personnes de différents corps de métiers : des « acteurs métiers ». Face à cette diversité, la simulation numérique s’intégrera au projet avec des ambitions, des objectifs et parfois une réussite variables selon l’état d’avancement du projet et les acteurs métiers concernés.
1.1 Principales utilisations
La mise en œuvre d’une simulation numérique nécessite, comme point de départ, une définition quasi-complète de la structure étudiée et de son environnement direct. Cela suppose donc une définition des formes, dimensions et matériaux qui constituent le produit ainsi que des conditions aux limites en efforts et déplacements, des conditions initiales du mouvement d’un mécanisme, des conditions de contact, etc. Cette caractéristique commune à toutes les méthodes actuelles rend celles-ci particulièrement bien adaptées au calcul dit « de validation ». Celui-ci intervient à un état relativement avancé du projet pour lequel il s’agit de valider une certaine définition du produit, et donc un ensemble de choix de conception, par rapport aux spécifications.
l’élément de fixation modélisé en CAO figure 1 a doit entrer en phase d’industrialisation. Un calcul est effectué afin de s’assurer que le niveau de contrainte ne dépasse pas, lorsque l’élément est sous charges de fonctionnement, une certaine valeur admise comme critique. Le modèle aux éléments finis réalisé pour cela est donné sur la figure 1 b (demi-pièce en raison de la symétrie du problème). La figure 1 c présente la carte de contrainte obtenue. La contrainte...
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La simulation numérique dans l’entreprise
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - COOK (D.C.), MALKUS (D.S.), PLESHA (M.E.) - Concepts and applications of finite element analysis. - 1989, John Wiley & Sons.
-
(2) - TROMPETTE (P.) - Mécanique des structures par la méthode des éléments finis - statique et dynamique, - 1992, Masson.
-
(3) - BATOZ (J.L.) - Modélisation des structures par éléments finis. - 3 volumes, 1990, Hermès.
-
(4) - Conception de produits mécaniques, méthodes, modèles et outils, - sous la direction de M. Tollenaere, 1998, Hermès.
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
ANNEXES
Sites Internet
* - Les mots-clés listés ci-dessous sont destinés à faciliter l’accès aux principaux sites Internet consacrés aux logiciels aux éléments finis et à la méthode des éléments finis en général :
* - finite elements ;FEA (finite elements analysis) ;FEM (finite elements method) ;CAE (computer aided engineering) ;structural analysis ;engineering software.
* - Les adresses suivantes fournissent des informations utiles ainsi que des liens vers les principaux logiciels du commerce : http://www.comco.com http://www.engr.usask.ca/~macphed/finite/ fe_resources/fe_resources.html
HAUT DE PAGE
L’offre commerciale de logiciels aux éléments finis est importante et variée. Aussi est-il difficile d’en dresser une liste exhaustive. Ces produits ne sont pas tous équivalents. On peut citer les caractéristiques suivantes :
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les domaines d’application couverts (par exemple mécanique des structures, mécanique des fluides, thermique, électromagnétique...) ;
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les capacités du logiciel dans le domaine couvert (par exemple structures poutres, planes, volumiques, problèmes non linéaires, statique, dynamique...) ;
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la qualité...
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