Etude de résistance des pièces mécaniques avec SimulationXpress Cas d'une Poutre encastrée sollicitée en flexion

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1 Etude de résistance des pièces mécaniques avec SimulationXpress Cas d'une Poutre encastrée sollicitée en flexion Fig Ce document est à la fois : - un guide d'utilisation de "SimulationXpress" - un aperçu des possibilités de ce logiciel. 3 0 "Simulation" est un complément de SolidWorks, permettant : - l'étude des sollicitations mécaniques, - l'étude des contraintes. Il est destiné à un usage professionnel. Ce complément est disponible dans la version Lycée de SW. "SimulationXpress" est une version limitée de "Simulation". Elle est disponible dans SW Student. 4 0 Nous allons travailler avec "SimulationXpress" Le cas échéant, il faut désactiver le complément "Simulation". Dans le menu SolidWorks / Outils (rep), cliquer sur "Compléments" (rep). Dans la fenêtre "Compléments" (rep3), décocher "Simulation" (rep4) Préparation 0 Créer un nouveau dossier "Perso" dans l'espace de travail : D:\documents and settings\si\mes documents \RDM travaux\ Il regroupera tous les fichiers relatifs à l'étude d'une pièce. 0 Copier le fichier Poutre SLDPRT de la pièce à étudier dans ce dossier. Source : D:\.. \ SI\mes documents\rdm init\ 03 Lancer SolidWorks 0-04 Ouvrir le fichier pièce : D:\.. \ SI\ \RDMtravaux \ Perso \ Poutre SLDPRT 0 Explorer l'arborescence de création de cette pièce. 0 Lancer "SimulationXpress". Dans le menu SolidWorks / Outils (rep), cliquer sur "SimulationXpress" (rep). Dans la partie droite de l'écran apparaît un volet des tâches "SimulationXpress" qui va nous guider dans l'étude. Il faudra lire attentivement tous les commentaires proposés. 07 Cliquer sur suivant (rep7). A gauche de l'écran, sous "l'arbre de création", apparaît un volet "SimulationXpress Study" (rep). Nous pourrons y suivre les étapes de l'étude. Ce volet peut être masqué réaffiché en cliquant sur son onglet (rep) Première étape de l'étude : "Déplacement imposé" (rep). Le commentaire proposé (rep0) nous invite à immobiliser la pièce. C-à-d à immobiliser une entité (une surface, ). Pour la présente étude, cela nous renvoie à la notion d'encastrement ou à la notion de "Déplacement imposé nul". Cliquer sur "ajouter un déplacement imposé" (rep3). 0 7 L'assistance à l'utilisation de "SimulationXpress" est remarquable De fait, l'intérêt du présent document en temps que "guide d'utilisation" est limité... Par contre, pour les étudiants qui n'auraient pas encore installé SW sur leur poste de travail **), il donne un aperçu de la facilité d'utilisation et des performances de ce logiciel. ** La version "Student" est gratuite pendant mois à un an. RDM SimulationExpress Poutre.doc RDM / SimulationExpress / Poutre encastrée fléchie Page sur 3

2 70 Choisissons d'immobiliser la face associée à l'origine pièce. Cliquer sur cette surface (rep ) Symboliquement, les micro flèches vertes marquent l'immobilisation. Les surfaces immobilisées sont listées (rep3) Cette liste pourra être révisée (ajout, suppression). Valider (rep) A gauche de l'écran, sous "l'arbre de création", le volet "SimulationXpress Study" donne maintenant une indication des déplacements imposés (rep4) 7 80 Cliquer sur "suivant" (rep). nde étape de l'étude : "Chargement" (rep). Nous allons appliquer une force sur l'extrémité libre de la pièce. Force de flexion : 000N 3 8 Cliquer sur "Ajouter une force" (rep7). Choisir la face chargée (rep0). 0 Symboliquement, les micro flèches mauves sont représentative du chargement Les (la) surfaces impliquées sont listées (rep8) Cette liste pourra être révisée. Donner la direction de la force (rep). 4 Donner le sens de la force (rep). 00 Donner le module : 000N (rep). 0 Valider (rep8) Le volet "SimulationXpress Study" donne maintenant une indication du chargement (rep3 de la page suivante) RDM SimulationExpress Poutre.doc RDM / SimulationExpress / Poutre encastrée fléchie Page sur

3 Choix du matériau (rep) Le matériau a pu être choisi lors de la conception de la pièce (rep ). Dans le cas contraire, cliquer sur "choisir un matériau" (rep4). Une fenêtre "matériau"s'ouvre (rep) Choisissons un acier allié (rep7) de limite élastique 0 MPa (rep8). Veiller au choix de l'unité (rep) ; préférer le MPa (N/mm²) Appliquer ces choix (rep) Valider fermer (rep0) De retour dans l'écran principal, cliquer sur "Suivant" 3 SimulationExpress connaît maintenant toutes les données. Il est en mesure d'exécuter les calculs Executer (rep) 40 Copie d'écran limitée au volet de droite SimulationExpress met en œuvre un algorithme de traitement reposant sur la théorie dite des "éléments fins". Un point clé dans l'application de cette théorie est le "maillage". Afin de percevoir cette notion, cliquer sur "Modifier les paramètres" (rep) puis sur "Exemples "(rep4). Cliquer sur "Modifier la densité du maillage" (rep). Un volet "Maillage" (rep ) s'ouvre à gauche de l'écran. Un maillage fin donne une étude plus précise Un maillage grossier limite les temps de calcul. Choisir un maillage grossier (rep8). Valider (rep7). Cliquer sur suivant (rep). Cliquer sur "Exécuter la simulation (rep3). Exemple de maillage RDM SimulationExpress Poutre.doc RDM / SimulationExpress / Poutre encastrée fléchie Page 3 sur

4 0 Résultats (rep) Lire attentivement tous les commentaires proposés Après un temps de calcul plus ou moins long, SimulationExpress propose une animation et des résultats numériques Simulation de la déformation. La poutre est animée d'un mouvement de fléchissement- redressement! Si l'animation ne démarre pas spontanément, Cliquer sur arrêter puis sur lire (rep3). Arrêter l'animation (rep3). Résultats. Cliquer droit sur "Stress" (rep) puis sur montrer (rep 4) Faire attention aux unités La coloration de la pièce, associée à l'échelle colorimétrique permet d'apprécier l'état de contrainte de la pièce. Les "contraintes équivalentes Von Mises " peuvent être comparées aux contraintes normales s'exerçant dans une section droite de la pièce. Pour choisir un matériau, il suffira donc de prendre en compte sa limite élastique. La présente étude (poutre encastrée soumise à flexion) étant simple, nous connaissons la loi de répartition des contraintes. Constatons la convergence entre nos connaissances et l'étude "SimulationExpress Stuy". Exemples : Dans la section droite associée à l'extrémité libre, les contraintes sont nulles. Dans la section droite associée à l'extrémité encastrée, les contraintes sont maximales. Dans une section droite donnée, la fibre neutre est peu chargée plus on s'en écarte, plus l'état de contrainte augmente. SimulationExpress propose divers résultats (divers éléments d'analyses). Voir rep, rep, Puis rep7... Pour plus d'information, voir : RDM SimulationExpress Poutre.doc RDM / SimulationExpress / Poutre encastrée fléchie Page 4 sur

5 "Factor of safety" (rep7), permet la prise en compte d'un coefficient de sécurité Le faire varier (rep) et apprécier la partie de la pièce excessivement sollicitée (zone rouge) Lire attentivement tous les commentaires proposés 0 0 SimulationExpress propose donc un ensemble de Résultats (rep) permettant d'apprécier la capacité de la pièce à remplir sa fonction. L'outil RDM "Simulation" étant étroitement associé à un logiciel de DAO,'interactivité "Simulation SolidW" permet d'optimiser la conception de la pièce. Cliquer sur "Fin de la visuakisation des résultats (rep), puis sur continuer (rep). Optimiser (rep8) Le logiciel offre la possibilité de modifier une (des) dimensions de la pièce pour : - la renforcer en cas de sous dimensionnement initial. - la réduire (volume, masse, résistance) en cas de sur dimensionnement initial Conclusion 7 considérations historiques Quelques repères chronologiques De la révolution industrielle jusqu'au milieu du 0 ème siècle, les chimistes et les métallurgistes ont acquis la maîtrise des matériaux. Les ingénieurs ont patiemment formalisé les connaissances, élaboré des règles de calcul. Les sciences mécaniques accèdent au rang de sciences séculaires. Dans les années 0-0, l'activité des bureaux d'études repose sur ce corpus de connaissances. Pour concevoir - optimiser des pièces, les projeteurs (les chargés de projets) disposent de formulaires très complets. Les calculs sont faits à la règle à calculer. Le dessin technique est rigoureusement codifié. L'enseignement technologique tire une partie de sa légitimité de la solidité et de la stabilité de ce corpus de connaissances jusqu'à ce que le développement de l'informatique vienne perturber les équilibres. En 7, la calculette se démocratise et remplace définitivement la règle à calculer. Les formulaires gardent leur utilité. Mais l'émergence de l'informatique invite à reconsidérer les méthodes de calcul 3 ; invite à rechercher de nouveaux algorithmes 0 Les progrès matériels et logiciels donnent accès au DAO D Première génération de logiciels de DAO 3D (dit filaires) 000 Seconde génération de logiciels de DAO 3D (dit surfaciques). 00 Les travaux menés depuis 7 sur la théorie des mécanismes 4 aboutissent à la création d'outils permettant l'étude "cinématique - statique - dynamique" de systèmes. Ces outils, d'abord indépendants des logiciels de DAO, y sont progressi- 3 C'est dans ce contexte que "l'objet mathématique TORSEUR" a été appliqué à la mécanique. 4 Théorie des mécanismes Le Borzec RDM SimulationExpress Poutre.doc RDM / SimulationExpress / Poutre encastrée fléchie Page sur

6 vement intégrés. Exemple : En 00, CosmosMotion intégré à SolidWorks, prend parfaitement en compte les caractéristiques de masse et d'inerties des pièces dessinées sous SolidWorks. 00 Les travaux menés depuis 80 sur la théorie des éléments finis aboutissent à la création d'outils permettant l'étude de résistance des pièces mécaniques. Exemple : En 00, "Simulation" intégré à SolidWorks, permet une étude réaliste de pièces aux formes complexes. Le développement de l'informatique a bouleversé les usages. Evolution ou révolution? Le réel est complexe. Les physiciens, les ingénieurs en proposent des représentations qui sont un compromis entre : - la volonté de prendre en compte le plus fidèlement possible cette complexité; - la nécessité de proposer des formalisations (des règles, lois, théorèmes, ) utilisables dans un contexte donné. Tant que dans les bureaux d'études, les projeteurs ne pouvaient compter que sur leur propre capacité de raisonnement et leur propre puissance de calcul, le développement des Sciences et Techniques a notamment consisté à enrichir les formulaires. C'était là, la stricte application des principes de pragmatisme et d'efficacité. La recherche de meilleurs modèles de représentation du réel est une quête permanente. La montée en puissance de l'informatique a stimulé la recherche de nouveaux compromis fidélité - efficacité. Si, pendant la phase de développement, les nouveaux outils étaient réservés aux initiés (bac+?) qui connaissaient les théories sous-jacentes, ils sont maintenant d'utilisation facile 7. De plus, leur intégration aux logiciels de DAO autorise des gains de productivité significatifs. L'utilisation des ressources de l'informatique s'inscrit donc dans l'application permanente des principes de pragmatisme et d'efficacité Revenons sur l'évolution des outils permettant "l'étude cinématique - statique - dynamique" ou "l'étude de résistance des pièces mécaniques". - Les premiers développements en réservaient l'usage aux connaisseurs (niveau bac+) des théories sous-jacentes ; par ailleurs, connaisseurs de la mécanique et de la RdM. - Aujourd'hui, ces outils (dont nous avons déjà évoqué l'intégration aux logiciels de DAO) sont faciles d'emploi même avec une moindre connaissance de la mécanique et de la RdM. En décennies, le renversement de situation a été total. Le nouvel enjeu est : Quelles sont les connaissances à maîtriser au niveau bac, bac,.? 0 Les logiciels de DAO sont encore très évolutifs. Chaque édition (annuelle) apporte son lot de nouveautés. Ils sont pourtant simples d'emploi car ils sont intuitifs et bénéficient d'une bonne ergonomie. L'assistance (l'aide) est performante. Il existe nombreux tutoriels. Les règles de "bonne conception" sont en nombre limité ; la liberté de création est donc grande. Il existe souvent plusieurs façons de concevoir une pièce. 7 considérations contemporaines Aujourd'hui, quels sont les enjeux : Quelles sont les connaissances à maîtriser au niveau bac, bac,.? Quelles sont les compétences à développer? A côté des réponses traditionnelles en émergent de nouvelles. Exemple : Etre capable d'apprécier (ou seulement de soupçonner) l'écart entre résultats théoriques et comportement réel. Décennies près décennies, les programmes STI ont toujours apporté des réponses actualisées Les nouveaux programmes STiD S SI apportent leur lot de réponses innovantes. Théorie des éléments finis Pour apprécier un "contexte donné", retenons comme élément de caractérisation essentiel, les outils de calcul disponibles : règle à calculer, calculettes 7 Revoir les exemples "CosmosMotion" et "Simulation" cités précédemment. RDM SimulationExpress Poutre.doc RDM / SimulationExpress / Poutre encastrée fléchie Page sur