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Accélération des essais en environnement mécanique. Apports de la simulation numérique à l’approche physique
Fig. 5 : Configuration de l’essai physique
Fig. 6 : Montage pot vibrant/pot d’échappement
Les figures 5 et 6 présentent la configuration de l’essai.
Résultats
Plusieurs pots d’échappement ont été testés successive-
ment afin d’en autoriser la production.
Pour les besoins de ce projet, les essais ont été prolon-
gés jusqu’à la défaillance du produit.
Des fissures de fatigue sont apparues sur les pattes de
fixation au même emplacement que celui qui a été observé
lors des conditions réelles de fonctionnement.
L’écart entre la durée de vie minimale et la durée de vie
maximale des produits atteint un facteur 2.
Simulation numérique – Pot vibrant virtuel
Concept et conditions requises
pour un pot vibrant virtuel
Comme on l’a vu plus haut, la méthode de personnalisa-
tion des essais permet d’obtenir une DSP qui est repré-
sentative des conditions réelles de fonctionnement. Elle
se base sur un certain nombre d’hypothèses pour calcu-
ler l’endommagement, en particulier en ce qui concerne
le comportement des matériaux.
Avec une analyse basée sur la méthode des éléments finis,
on peut appliquer la DSP obtenue au modèle «éléments
finis» du composant, en utilisant les données propres
au matériau. On calcule ensuite l’endommagement pour
chaque nœud ou chaque élément. On obtient une carto-
graphie qui indique les «points chauds«, c’est-à-dire les
endroits où le composant subit le plus d’endommagement,
ainsi que sa durée de vie.
Un essai «éléments finis» virtuel complètera l’essai person-
nalisé dans les cas où :
- le test physique a été réalisé avec succès, puisqu’il donne
une marge de sécurité ;
- le test physique a échoué, puisqu’il est utile pour la phase
de re-conception.
L’analyse vibratoire «éléments finis» équivaut à simuler
un essai sur table vibrante le long d’un seul axe, que l’on
appellera «Pot vibrant virtuel». Parmi les autres atouts de
la simulation numérique, on peut citer :
- la réalisation d’essais physiques plus intelligents et plus
rapides, grâce à une simulation préliminaire ;
- l’estimation virtuelle de la durée de vie du composant en
amont afin de moins dépendre de l’essai physique et d’éviter
des modifications de conception et d’outillage coûteuses.
Les calculs numériques sont généralement effectués à
l’aide d’une simulation par éléments finis. L’analyse la plus
simple utilise une approche quasi-statique dans laquelle
le composant n’est pas sensible aux effets dynamiques
comme la résonance ou les phénomènes transitoires. Si
les effets dynamiques sont importants, des analyses plus
poussées seront nécessaires : analyse vibratoire aléatoire,
analyse transitoire, analyse transitoire modale. L’analyse
vibratoire aléatoire s’effectue dans le domaine fréquen-
tiel avec des charges spécifiées à l’aide d’une fonction de
Densité Spectrale de Puissance (DSP). Ce type d’analyse
est relativement rapide. L’analyse transitoire est réalisée
dans le domaine temporel et nécessite un temps de calcul
significatif. Elle n’est en général utilisée que dans le cas
d’évènements discrets très courts, et en aucun cas lors-
que l’endommagement par fatigue est attribuable à de
longues périodes de vibrations aléatoires.
Dans ce sens, la méthode de personnalisation des essais
facilite l’essai virtuel : elle permet de simplifier la charge
appliquée en une DSP représentative, qui est beaucoup
plus facile à manipuler, plus rapide à traiter et qui four-
nit un meilleur contenu statistique qu’une longue série
temporelle.
L’analyse par éléments finis
Nous avons effectué une analyse vibratoire aléatoire en
utilisant le programme «éléments finis» MSC.Nastran.
Nous avons exécuté une fonction de transfert afin d’éta-
blir la réponse du composant, fonction qui a été utilisée
par le programme nCode DesignLife™ pour estimer sa
durée de vie.
Le programme nCode DesignLife™ est dédié à l’analyse de
la fatigue. Il comprend les fonctionnalités suivantes :
- Aléatoire (chargement de DSP)
- Sinus balayé
- Offset statique possible
- Corrections de température
- Utilisation de données matériaux réelles, multi-segment