Optimisation de la conception des structures mécaniques : applications sous Ansys

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1 International Workshop in Optimization and Applications April 2015, Kénitra Maroc École Mohammadia d ingénieurs Optimisation de la conception des structures mécaniques : applications sous Ansys Présentée par: Dr. Safaa ASSIF 1

2 Plan I. Introduction II. III. IV. Optimisation de la conception Application 1 : Optimisation d une poutre Application 2 : Optimisation d une carte électronique V. Conclusion International Workshop in Optimization and Applications 2015, Kénitra Maroc 2

3 Optimisation de forme : carte électronique Optimisation de la conception International Workshop in Optimization and Applications 2015, Kénitra Maroc 3

4 Introduction Coût Fiabilité Meilleure conception Faisabilité Performance Durabilité Objectif de l optimisation des structures : Concilier les exigences contradictoires de la conception Le coût Les performances International Workshop in Optimization and Applications 2015, Kénitra Maroc 4

5 Formulation de l optimisation de la conception Recherche des paramètres intervenant dans la conception. fonction objectif (coûts initiaux, rigidité, ) les contraintes de performances mécaniques, physiques et géométriques. min C I (d) Gi( d, p) 0 sous : hj( d) 0 i = 1,, m j = m + 1,,n k C I : Gi : d : p : hj : fonction objectif ou fonction coût fonctions de performances ou fonction d état limites vecteur des variables d optimisation vecteur des paramètres déterministes fonctions de faisabilité géométrique et physique International Workshop in Optimization and Applications 2015, Kénitra Maroc 5

6 Processus de l optimisation de la conception Conception Calcul Résultats International Workshop in Optimization and Applications 2015, Kénitra Maroc 6

7 Processus de l optimisation de la conception Conception Algorithme d optimisation Calcul Résultats International Workshop in Optimization and Applications 2015, Kénitra Maroc 7

8 Processus de l optimisation de la conception Processus d optimisation déterministe Processus d optimisation fiabiliste International Workshop in Optimization and Applications 2015, Kénitra Maroc 8

9 Application 1 : optimisation d un poutre Objectifs : Rechercher les meilleurs valeurs de H et W Minimiser le volume de la poutre. Vérifier la contrainte admissible. International Workshop in Optimization and Applications 2015, Kénitra Maroc 9

10 Post-processor Solution Pre-processor Schéma d utilisation classique d Ansys Type de l étude Type des éléments Propriétés matériaux Données géométriques Maillage Type de calcul Chargement Conditions initiales Listing Impression Visualisation Résultats International Workshop in Optimization and Applications 2015, Kénitra Maroc 10

11 Application 1 : optimisation d un poutre Type de l étude : structural International Workshop in Optimization and Applications 2015, Kénitra Maroc 11

12 Application 1 : optimisation d un poutre Données géométriques Afin de paramétrer le modèle de calcul et de pouvoir l optimiser, il faut créer les paramètres scalaires de l étude International Workshop in Optimization and Applications 2015, Kénitra Maroc 12

13 Application 1 : optimisation d un poutre Type d élément : Beam3 : poutre en 2 dimensions à 3 DDL (déplacement Ux, déplacement Uy, rotation θ) Surface =H*W Moment d inertie= (W*H**3)/12 Propriétés matériaux : Géométrie Module de Young Coefficient de poisson 0.3 Créer 2 points Créer une ligne entre le point 1 et le point 2 Créer le point 3, le point d application du chargement P International Workshop in Optimization and Applications 2015, Kénitra Maroc 13

14 Application 1 : optimisation d un poutre Type de calcul Statique Chargement Chargement vertical Fy=-2000N au point 3 Conditions initiales Point1 : Ux=Uy=0 Point2 : Uy=0 International Workshop in Optimization and Applications 2015, Kénitra Maroc 14

15 Application 1 : optimisation d un poutre Maillage Résolution International Workshop in Optimization and Applications 2015, Kénitra Maroc 15

16 Application 1 : optimisation d un poutre Extraction des résultats Volume International Workshop in Optimization and Applications 2015, Kénitra Maroc 16

17 Application 1 : optimisation d un poutre Extraction des résultats Sauvegarder le volume total dans un paramètre défini International Workshop in Optimization and Applications 2015, Kénitra Maroc 17

18 Application 1 : optimisation d un poutre Extraction des résultats Sauvegarder le volume total dans un paramètre défini International Workshop in Optimization and Applications 2015, Kénitra Maroc 18

19 Application 1 : optimisation d un poutre Extraction des résultats Sauvegarder le volume total dans un paramètre défini International Workshop in Optimization and Applications 2015, Kénitra Maroc 19

20 Application 1 : optimisation d un poutre Extraction des résultats Contrainte maximale Définir SMAX_I Définir SMAX_J Définir SMAX = max (SMAX_I, SMAX_J) International Workshop in Optimization and Applications 2015, Kénitra Maroc 20

21 Application 1 : optimisation d un poutre Optimisation de conception Définir les variables d optimisation les variables de conception H et W la variable d état : SMAX la fonction objective : VOLUME Définir la méthode d optimisation Définir le nombre d itérations Exécuter le programme d optimisation International Workshop in Optimization and Applications 2015, Kénitra Maroc 21

22 Application 1 : optimisation d un poutre Résultats International Workshop in Optimization and Applications 2015, Kénitra Maroc 22

23 Application 1 : optimisation d un poutre Résultats International Workshop in Optimization and Applications 2015, Kénitra Maroc 23

24 Application 2 : optimisation d une carte électronique Chocs Mécaniques Causes de défaillances des systèmes embarqués variations de température (Cycles thermiques) Vibrations International Workshop in Optimization and Applications 2015, Kénitra Maroc 24

25 Application 2 : optimisation d une carte électronique Constitution d une carte électronique International Workshop in Optimization and Applications 2015, Kénitra Maroc 25

26 Application 2 : optimisation d une carte électronique Fatigue thermique composant à billes composant à pattes composant à broches Assemblage direct Types de composants électroniques International Workshop in Optimization and Applications 2015, Kénitra Maroc 26

27 Application 2 : optimisation d une carte électronique Fatigue thermique composant à pattes Types de composants électroniques International Workshop in Optimization and Applications 2015, Kénitra Maroc 27

28 Application 2 : optimisation d une carte électronique - Cycles thermiques Déformations plastiques Défaillance électrique totale du système électronique Initiation de la fissure du joint Défaillance mécanique du composant Rupture du joint de brasure International Workshop in Optimization and Applications 2015, Kénitra Maroc 28

29 Application 2 : optimisation d une carte électronique Les objectifs de cette étude : Développer un modèle numérique pour la simulation de la fatigue d une carte électronique Prédire la durée de vie en fatigue des joints de brasure Optimisation la géométrie du joint de brasure International Workshop in Optimization and Applications 2015, Kénitra Maroc 29

30 Application 2 : optimisation d une carte électronique Géométrie La carte électronique est composée d un microcontrôleur de type 256 pin PQFP Brasure sans plomb dénommée SAC305 (96.5% étain, 3% argent, et 0.5% cuivre). International Workshop in Optimization and Applications 2015, Kénitra Maroc 30

31 Application 2 : optimisation d une carte électronique Géométrie Modèle EF 2D de la zone critique Conditions de symétrie Plasticité du joint de brasure Analyse non linéaire International Workshop in Optimization and Applications 2015, Kénitra Maroc 31

32 Application 2 : optimisation d une carte électronique Géométrie Composant Broche Brasure PCB PCB : FR4 Composant : Résine EPOXY Broche : cuivre Brasure : SAC305 (96.5% étain, 3% argent, et 0.5% cuivre) International Workshop in Optimization and Applications 2015, Kénitra Maroc 32

33 Application 2 : optimisation d une carte électronique Propriétés matériaux : Propriétés des SAC305 FR4 Résine Cu matériaux EPOXY Module de Young (GPa) Coefficient de Poisson Densité (Kg/m 3 ) CTE ( m/k) Module de cisaillement(gpa) International Workshop in Optimization and Applications 2015, Kénitra Maroc 33

34 Application 2 : optimisation d une carte électronique Chargement Cycle de température min International Workshop in Optimization and Applications 2015, Kénitra Maroc 34

35 Application 2 : optimisation d une carte électronique Maillage Résolution International Workshop in Optimization and Applications 2015, Kénitra Maroc 35

36 Application 2 : optimisation d une carte électronique Extraction des résultats Modèle de fatigue appliqué à la brasure p coefficient de ductilité N f 1 p 2 f variation de la déformation plastique au niveau du joint de brasure f N nombre de cycles de la fatigue. f 1 c Modélisation de la carte modèle de fatigue du joint Prédire le nombre de cycles de fatigue avant défaillance N f =700 cycles International Workshop in Optimization and Applications 2015, Kénitra Maroc 36

37 Application 2 : optimisation d une carte électronique Méthode hybride Algorithme génétique Optimisation par essaim de particules Génération de la population initiale Sélection Croisement et mutation Recherche en voisinage de la meilleure position Injection des meilleurs particules International Workshop in Optimization and Applications 2015, Kénitra Maroc 37

38 Application 2 : optimisation d une carte électronique Méthode hybride Génération de la population initiale Sélection Recherche en voisinage de la meilleure position Injection des meilleurs particules International Workshop in Optimization and Applications 2015, Kénitra Maroc 38

39 Application 2 : optimisation d une carte électronique Paramètres d optimisation International Workshop in Optimization and Applications 2015, Kénitra Maroc 39

40 Application 2 : optimisation d une carte électronique max f ( x) max Nf 0.1 BRAS_E BRCH_L BRCH_H Avec N f 1 p 2 f 1 c International Workshop in Optimization and Applications 2015, Kénitra Maroc 40

41 Application 2 : optimisation d une carte électronique Résultats Paramètres Calcul sans optimisation Méthode d optimisation BRAS_EP (mm) BRCH_L1 (mm) BRCH_H (mm) NF International Workshop in Optimization and Applications 2015, Kénitra Maroc 41

42 Conclusion Dans la première application l optimisation a permis de minimiser la contrainte maximale dans la plaque. L optimisation est réalisée directement sous le logiciel Ansys Dans la deuxième application l optimisation par la méthode hybride a contribué à l amélioration de la durée de vie du joint de brasure et par conséquent la durée de vie de la carte électronique. International Workshop in Optimization and Applications 2015, Kénitra Maroc 42

43 Conclusion Modélisation et calcul sous Ansys et l algorithme d optimisation sous Matlab. Algorithme d optimisation sous Matlab permet plus de flexibilité dans le choix de la méthode d optimisation. Possibilité d utilisation des méthodes hybrides. International Workshop in Optimization and Applications 2015, Kénitra Maroc 43

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