Simulation Numérique & Non Linéaire

Multi-physique & Couplage Fort

Fluide/Structure/Thermique/Electromagnétisme
 
Automobile

Adina offre un ensemble complet de fonctionnalités pour simuler les comportements de structures en statique et dynamique linéaires et fortement non linéaires dûs aux grands déplacements, aux grandes déformations, aux conditions de contacts complexes et aux non-linéarités des matériaux.
Le programme « Etat de l’art » ADINA met au profit des secteurs de l’automobile et de l’aérospatial, extrêmement exigeants en terme de qualité des solutions, une large gamme de modèles de matériaux et une bibliothèque d’éléments finis des plus fiables et efficaces du marché.
Adina est également le programme de référence  pour des analyses FSI (Interactions Fluide Structure), et utilise le formalisme ALE en mode de couplage fort. De plus, les maillages Fluide et Structure peuvent ne pas être coïncidants.

FORD Windstar ( oct 2002)

Choc avec écrasement de toitures de voitures
automobile-pic9Dans les Tests  laboratoires de l'écrasement des toitures (pour simuler les phénomènes des tonneaux) la course totale des plaques broyeurs durent généralement  entre 10 et 30 secondes. Il est évident que les réponses résultantes n'appartiennent pas aux domai [...]
 

Choc avec écrasement de toitures de voitures

automobile-pic9Dans les Tests  laboratoires de l'écrasement des toitures (pour simuler les phénomènes des tonneaux) la course totale des plaques broyeurs durent généralement  entre 10 et 30 secondes. Il est évident que les réponses résultantes n'appartiennent pas aux domaines de la dynamique rapide, mais sont plutôt considérées comme de la dynamique « lente », voire quasi- statique.

Par conséquent, une manière naturelle pour obtenir une solution est d'utiliser une approche implicite /Quasi- statique pour résoudre ces problèmes de dynamiques lentes , dits aussi « crush » en anglais. Cependant, dans la pratique , faute d’avoir un code implicite robuste, les utilisateurs préfèrent recourir à des codes explicites au risque d’introduire un grand nombre de facteurs d’ajustement qui peuvent conduire à des résultats irréels.

Les difficultés principales liées à ce type d’analyse sont dues au flambage, à l’auto-contact des structures minces ainsi qu’ aux non-linéarités des matériaux et géométriques. Opter pour une approche implicite dans ces situations implique d’avoir des formulations Eléments finis des plus généralisées, ROBUSTES et des techniques de résolutions adaptées comme celles présentes dans le programme « Etat de l’art » ADINA.

automobile-pic10L' animation ci-dessus montre que le programme ADINA est parfaitement adapté pour simuler de telles situations. Les graphes ci-contre donnent des comparaisons faites entre les solutions implicites et explicites obtenues par les ingénieurs de chez Ford. Dans le cas de solutions explicites , les résultats obtenus dépendent fortement des ajustements (artificiels) effectués soit sur les vitesses d’impacts et / ou sur des données de la masse du système.

En revanche,  Avec  la solution Adina -implicite , la solution a été obtenue en moins de 11 heures , sur un Pc biprocesseurs cadencé à 1,7 GHz et ne nécessite qu’ un seul passage de calcul, alors qu’il en fallait 4 dans le cas d’une solution explicite (Ls-Dyna).


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ISKO Engineers AG, München, Germany

Sécurité passagère ( 2006), Déploiement de Airbag
automobile-pic11Bien que les airbags soient de série dans les voitures de tourisme,  leurs utilisations optimales sont encore aux bancs d'études. Néanmoins, il n’en reste pas moins évident qu’il est plus sécurisant de disposer d'airbags lors d'un accident, mais l [...]
 

Sécurité passagère ( 2006), Déploiement de Airbag

automobile-pic11Bien que les airbags soient de série dans les voitures de tourisme,  leurs utilisations optimales sont encore aux bancs d'études. Néanmoins, il n’en reste pas moins évident qu’il est plus sécurisant de disposer d'airbags lors d'un accident, mais le risque de blessure dû au déploiement  de l’airbag  lui-même peut  occasionner des brûlures voire des fractures.

Ce risque s'applique principalement aux passagers qui sont situés dans la zone de déploiement de l'airbag. Ce problème dit OOP,« Out Of Position» implique une interaction très complexe entre l'airbag, l'environnement du véhicule et son occupant.

La particularité de cette simulation fait intervenir un problème de couplage fort entre les éléments-finis de type coque et les éléments  fluides 3D, obéissant aux équations de  Navier-Stokes.

automobile-pic12De plus, des expériences ont montré qu’il est largement erroné de simuler le comportement de l'airbag et les charges résultantes sur le passager, sous l’ hypothèse d’une pression constante d'airbag. En effet, l’hypothèse doit  prendre  en compte le couplage TOTAL, entre le fluide et les structures environnantes, pour capter des informations pertinentes.

En conséquence, plusieurs tentatives ont été faites ces dernières années, dans divers milieux de la recherche et de l'industrie, pour simuler la réponse complexe du problématique « Out –of –position »  à l'aide des solveurs explicites. Cependant, les solutions d'intégrations temporelles explicites ne sont pas en mesure de décrire la distribution des contraintes avec précision et peuvent même conduire à des formes très différentes de l’ airbag au regard des résultats expérimentaux. Ainsi, à l’heure actuelle, la simulation du problématique « Out-of-position » de l’airbag n’est toujours pas inscrit au standard des projets industriels.

automobile-pic13Cependant, la société ISKO a pu mener à bien ces simulations en utilisant un algorithme d'intégration temporelle implicite dans Adina et ce, sans recourir à aucun facteur d’ajustement artificiel . Cette méthode leur garantit qu’à chaque pas de temps discret considéré, des itérations sont effectuées en interne pour satisfaire les équations de masse et de quantité de mouvement.

automobile-pic14Notons enfin que d’après les ingénieurs de la société ISKO, la solution complète de la simulation, intégrant les étapes de re-maillages (automatiques)  pendant la phase des calculs, est obtenue en moins d’une dizaine d’heures,  sur un AMD Opteron à 4-processeurs et que le temps de préparation du modèle, est d’une trentaine de minutes seulement, sous ADINA-AUI.

Ceci montre bien que la simulation basée sur l'intégration temporelle implicite est tout à fait adaptée à l’industrie des airbags et offre de remarquables perspectives  pour améliorer leurs conceptions.

 


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John Deere

Montage boulonné d'un essieu
automobile-pic24Les boulonnages et les comportements des structures boulonnées peuvent devenir des processus complexes à analyser. Par exemple, comment déterminer les efforts de boulonnage nécessaires pour prévenir des fuites de liquides ou encore quelles sont les fréquences de boulonnage [...]
 

Montage boulonné d'un essieu

automobile-pic24Les boulonnages et les comportements des structures boulonnées peuvent devenir des processus complexes à analyser. Par exemple, comment déterminer les efforts de boulonnage nécessaires pour prévenir des fuites de liquides ou encore quelles sont les fréquences de boulonnage dans les structures dans le cas où le contact et le frottement jouent un rôle important.

De plus, l’ ordre de serrage des boulons dans le processus d’ assemblage et d’autres aspects tel que l’impact des assemblages boulonnés sur le bruit et sur les vibrations, sont également à prendre au sérieux.

Afin de tenir compte de toutes ces exigences pratiques, les ingénieurs de la société John Deere ont adopté le programme ADINA qui leur permet de modéliser aisément et de faire face aux problématiques de boulonnages.
 
L’exemple ci-contre représente  un modèle composé d’éléments tétraédriques à 10 nœuds pour modéliser les pièces volumineuses , des éléments de coque à 8 nœuds pour modéliser le cadre et enfin les surfaces de contact 3D pour modéliser les contacts dans les parties boulonnées . L'ensemble du modèle comporte plus de 2,5 millions de degrés de liberté . Environ 40 boulons sont serrés dans un ordre bien défini et nécessite 25 étapes  de boulonnage dont chacune consomme  environ 5 itérations de Newton- Raphson .   automobile-pic25
 
bolt_Jhondeer   Compte tenu de la taille du problème et de la complexité liée, le temps de calcul a pris 12 minutes sur un PC quad-core. Ceci confirme les performances du solveur 3D-itératif d’Adina, qui permet de gérer efficacement des problèmes complexes.

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Courtesy of Dr. Ulrich Heck of Dr. Heck Consulting and Engineering, Krefeld, Germany

Support hydraulique 2007
Les supports hydrauliques sont utilisés pour réduire les bruits et vibrations provenant des moteurs automobiles. Les designers s’intéressent ici à la performance du support hydraulique liée à la variation des fréquences d’excitation et de ses amplitudes. Leurs problématiques sont intrinsèquement liées à des problèmes [...]
 
Support hydraulique 2007
Les supports hydrauliques sont utilisés pour réduire les bruits et vibrations provenant des moteurs automobiles. Les designers s’intéressent ici à la performance du support hydraulique liée à la variation des fréquences d’excitation et de ses amplitudes. Leurs problématiques sont intrinsèquement liées à des problèmes d’ interactions  Fluide-structure et le couplage doit être supposé FORT entre le solide et le liquide.
automobile-pic3 L'excitation du moteur est modélisée en utilisant un déplacement prescrit sinusoïdale qui agit sur le bloc d'aluminium qui se situe au-dessus du modèle. Le dispositif a d'abord été soumis à une pré-charge statique, suivi par des analyses dynamiques à différentes fréquences d'excitations.
   
Résultats de la simulation sous forme d’animation
automobile-pic4 automobile-pic4 automobile-pic5
Contrainte principale maximale dans le caoutchouc
   

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Courtesy of Dr. Ulrich Heck of Dr. Heck Consulting and Engineering, Krefeld, Germany

Amortisseurs à gaz mono – tube (2003)
automobile-pic6L’analyse porte sur l’étude des mouvements du piston à l'intérieur du boitier rempli d’huile (qui en réalité est un mélange de pétrole et de gaz ). Pour la simulation, le ressort a été d'abord étiré , puis relâché . Ce qui provoque une circulation de l' [...]
 

Amortisseurs à gaz mono – tube (2003)

automobile-pic6L’analyse porte sur l’étude des mouvements du piston à l'intérieur du boitier rempli d’huile (qui en réalité est un mélange de pétrole et de gaz ). Pour la simulation, le ressort a été d'abord étiré , puis relâché . Ce qui provoque une circulation de l' huile  à travers les trous dans le piston, créant ainsi une résistance qui amortit le piston lui-même. Cette situation illustre typiquement  une problématique d’interaction fluide-structure bidirectionnelle.

Dans la simulation ci-contre le contact entre le piston (modèle solide ) et l'enveloppe est modélisé par un coefficient de frottement , qui est généralement très faible en raison de la lubrification fournie par l' huile .

automobile-pic7Les résultats de la simulation ont été obtenus en utilisant la méthode TR- BDF ( règle des trapèzes associée à la  formulation différentielle-arrière ). C’ est une méthode d'intégration composite disponible depuis la version Adina 8.1, valable à la fois pour le fluide et pour des  analyses FSI . Avec le choix de ½< α< 1, la méthode est de précision d’ordre 2 et il est  L - stable . Par conséquent , les oscillations parasites qui peuvent apparaître lors de l'utilisation de la règle du trapèze ne sont plus présentes . De plus,  l’utilisation de l'algorithme TR- BDF par rapport à la règle du trapèze rend les calculs des accélérations (dans le modèle solide) plus précis.

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FSI : Analyse d’un support moteur hydraulique 2005

(www.met-helmets.com) leader dans la fabricant de casque de sports basé à Talamona, en Italie
automobile-pic15Dans le passé, au sein de la société MET-Helmets, l’ examen des performances de chaque nouveau casque passe par des essais réels réalisés sur des prototypes en laboratoire. A présent,  l'utilisation du lo [...]
 

(www.met-helmets.com) leader dans la fabricant de casque de sports basé à Talamona, en Italie

automobile-pic15Dans le passé, au sein de la société MET-Helmets, l’ examen des performances de chaque nouveau casque passe par des essais réels réalisés sur des prototypes en laboratoire. A présent,  l'utilisation du logiciel Adina, permet aux ingénieurs de l’entreprise de mieux comprendre le comportement de leurs casques lors des impactes.

Pour analyser le nouveau design du casque, les ingénieurs ont  modélisé dans simulation,  la tête avec le casque impactant  sur ​​l'enclume pour une vitesse de 4,57 mètres / seconde. L'objectif est de s'assurer que le casque offre des niveaux de protection adéquate pour la tête, en particulier, la décélération sur la tête ne doit pas dépasser les 250 g.

La Comparaison entre les test de simulation et ceux du automobile-pic16laboratoire donne d’excellents résultats.

impact automobile-pic18

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