Qu'est-ce que la FEA (analyse par éléments finis) en CAO ?

DANS CET ARTICLE :

• Qu'est-ce que la FEA (analyse par éléments finis)
• Principes des logiciels d'analyse et de simulation par éléments finis
• Un processus général dans FEA
• Type de méthode des éléments finis
• Applications d'analyse par éléments finis en CAO
• Pourquoi le logiciel FEA est utile
• L'essentiel

Les ingénieurs ont la position peu enviable d'être tenus entièrement responsables de l'intégrité et de la sécurité de tous les produits et structures qu'ils conçoivent. De petites erreurs de conception entraînent souvent des catastrophes imminentes (qui vont souvent devant les tribunaux et font l'objet de litiges).

C'est pourquoi les produits et les structures sont soumis à une série de tests de résistance et d'optimisation avant d'être déployés dans le monde réel. Mais le faire sur des centaines d'itérations (et à l'échelle) peut être extrêmement coûteux. Les ingénieurs se tournent donc souvent vers des techniques de modélisation par simulation (comme l'analyse par éléments finis) pour automatiser et simplifier ces tests.

Cela permet de réduire l'utilisation de matériaux pour le prototypage itératif, qui seraient autrement utilisés dans l'actualisation.

L'analyse par éléments finis est l'une des techniques les plus couramment utilisées par les ingénieurs et les concepteurs CAO pour simuler les « contraintes » sur leurs conceptions.

Qu'est-ce que la FEA (analyse par éléments finis) ?

L'analyse par éléments finis (FEA) est une technique numérique utilisée pour résoudre des problèmes d'ingénierie avec un éventail de calculs basés sur la physique.

Par exemple, un ingénieur concevant un pont devra prévoir le comportement de la structure sous charge. Le système d'équations décrivant la distribution des contraintes structurelles peut être connu, mais ne peut pas être facilement (ou directement) résolu pour une structure compliquée telle qu'un pont.

Par conséquent, le système doit être décomposé en petits éléments (les "éléments finis"), dont les calculs peuvent être facilement effectués et résolus.

Les éléments finis peuvent être à une, deux ou trois dimensions.

Principes des logiciels d'analyse et de simulation par éléments finis

La méthode des éléments finis est généralement utilisée en FEA pour calculer des solutions approximatives de problèmes aux limites (problèmes de terrain) en ingénierie.

« Le champ » représente normalement une structure physique en tant que domaine principal.

Les « variables de terrain » sont les variables d'intérêt régies par une équation différentielle. Ils doivent atteindre une condition aux limites pour des valeurs spécifiques des variables (ou des variables liées)

Un "nœud" est un point spécifique sur l'élément fini qui contient la valeur de la variable de champ -- qui est normalement calculée explicitement. Ces valeurs sont ensuite utilisées pour calculer les valeurs aux points non nodaux par interpolation des valeurs aux nœuds à l'aide de fonctions de forme.

Un processus général dans FEA

1. Prétraitement pour la fabrication

Cette étape vous oblige à définir le problème du domaine, les propriétés des matériaux, les propriétés géométriques, le modèle de maillage, les conditions aux limites et les types d'éléments. Généralement, à ce stade, l'ingénieur simplifiera le problème autant que possible pour obtenir des résultats rapides mais précis.

Par exemple, avant la simulation, un modèle CAO peut comporter de nombreux congés, trous ou autres fonctionnalités qui ne sont pas essentielles à la simulation, mais qui accaparent les ressources de calcul et augmentent les temps de rendu. Les ingénieurs suppriment généralement ces fonctionnalités pour accélérer leurs simulations.

Cela peut être fait manuellement (les concepteurs entrant et supprimant ces fonctionnalités une par une) - ou automatiquement à l'aide de la fonction CAO sur le logiciel Spatial. L'un des grands avantages de l'automatisation de ce processus est la réduction des erreurs humaines.

Les solutions d'interopérabilité et de modélisation 3D de Spatial permettent la reconnaissance des fonctionnalités et une suppression facile

2. Résolution

Ici, des calculs sont effectués pour les valeurs inconnues des variables de champ. Vous pouvez utiliser ces valeurs pour calculer des variables dérivées telles que les contraintes et les forces de réaction.

3. Post-traitement

Le tri, le traçage et l'impression constituent l'ensemble final d'activités où les résultats sélectionnés sont mis en œuvre en tant que solutions à votre analyse par éléments finis.

Types de méthode des éléments finis

Les lacunes de la modélisation FEA pour certains domaines (tels que la mécanique des fluides) ont nécessité plusieurs améliorations du processus de résolution tout en améliorant la diversité dans l'application de l'analyse par éléments finis.

Certains des types courants incluent ;

• La méthode finie étendue (XFEM)

Les problèmes tels que les dommages, les fractures ou les ruptures ne peuvent pas être traités directement par la méthode des éléments finis.

XFEM - qui utilise la méthode Galerkin et les fonctions d'étape Heaviside - permet l'expansion des fonctions de forme. Les nœuds reçoivent chacun des degrés de liberté supplémentaires aux points de discontinuité à prendre en compte.

• La méthode des éléments finis généralisés

Dans ce type, les fonctions de forme sont multipliées par la partition d'unité tout en étant définies par des coordonnées globales. Cela empêche le remaillage alors que vous pouvez former des fonctions d'élément locales.

Applications d'analyse par éléments finis en CAO

La FEA est l'une des fonctionnalités les plus puissantes et les plus couramment utilisées dans la conception CAO.

Il fait partie intégrante de la CAO pour analyser un objet grâce à l'utilisation d'éléments finis qui incluent de petites formes rectangulaires et triangulaires. Pour analyser l'ensemble de l'objet, chaque élément fini de l'ensemble du réseau d'objets est analysé et les résultats sont combinés pour tracer le comportement global d'un objet complexe. Chaque élément peut être analysé pour certains seuils de propriété comme la contrainte-déformation, la dynamique, les propriétés thermiques - ou toute autre caractéristique (selon l'endroit où il est appliqué).

Dans un flux de travail CAO, vous pouvez définir chaque élément et structure de réseau selon vos besoins dans votre conception.

Pourquoi le logiciel FEA est utile

La FEA permet aux ingénieurs d'effectuer la simulation d'un modèle conçu plutôt que d'avoir à créer un modèle physique à des fins de test.

FEA offre plus d'avantages.

La FEM pendant l'analyse permet la modélisation d'un nombre varié de types de matériaux et la capacité de surveiller l'impact des effets confinés sur une petite zone de conception dans une géométrie complexe.

Les ingénieurs peuvent utiliser des logiciels spécialisés pour la modélisation par éléments finis pour un large éventail de tâches.

La dynamique des fluides, la déformation d'un véhicule suite à une collision et le stress sur les os humains sont quelques-unes des utilisations pratiques des logiciels de modélisation par éléments finis par les ingénieurs.

L'essentiel

La FEA est prédictive mais non affirmative.

Il ne garantit pas qu'une conception résistera avec certitude aux contraintes simulées. Cela donne seulement aux ingénieurs une idée de la façon dont la conception peut réagir aux contraintes imposées tout en réduisant le coût des tests physiques.

Pour l'expérience FEA globale, il existe un certain nombre de logiciels de CAO dotés de cette fonctionnalité qui pourraient vous aider à concevoir des structures meilleures et plus précises, quel que soit le domaine d'ingénierie dans lequel vous vous trouvez.