Retour d expérience sur la validation de conceptions mécaniques par la méthode des éléments finis

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1 Retour d expérience sur la validation de conceptions mécaniques par la méthode des éléments finis Jonathan TANRIN Ecole IN2P3 de calculs : Bases de calculs pour les concepteurs mécaniques 18/06/2015

2 Sommaire 1. Etude à postériori d un support d échantillon 2. Validation du design mécanique d un boitier électronique 3. Méthodologie calcul appliqué à un sous ensemble mécanique / électronique 4. Exemple d un calcul de raideur sur un support laser

3 Expérience de mesure d un module d élasticité d un cristal liquide Objectif : calculer le module d élasticité du cristal liquide à partir de la connaissance de sa 1 ere fréquence propre et des équations du mouvement 3

4 Expérience de mesure d un module d élasticité d un cristal liquide Principe de l expérience : Mettre en oscillation le cristal liquide contenu dans un tube à essai 4

5 Mesures expérimentales Résonnance parasite liée au mode propre du support de tube à essai : - autour de 1800 Hz 5

6 Géométrie des supports de tube à essai 1 ère version 2 nde version 6

7 Analyse modale du support de tube à essai N 1 Avec l atelier CATIA Calcul des modes propres du support par analyse modale libre / libre 7

8 Analyse modale du support de tube à essai N 2 Simplification de la CAO Mise en données (maillage, propriétés matériau) Analyse modale libre / libre 8

9 Mesures avec le support de tube à essai N 2 1 ère fréquence propre du support (17 khz) suffisamment loin de la bande de fréquence à balayer. => Plus de fréquence parasite 9

10 2. Exemple de modélisation d un boitier électronique Dimensions : 150 x 105 x 32mm Masse : 320 grammes Eléments composant le boitier : - Ceinture - Couvercles - Carte électronique - Bornier de masse, connecteurs, - Raidisseurs

11 Préparation du modèle EF Importation de la géométrie depuis Catia (format STEP) Simplification géométrique (congés, trous) Maillage et choix des propriétés des éléments Couvercle et ceinture : éléments coques Pieds : éléments volumiques Raidisseurs : éléments poutres Connecteurs : éléments rigides (indéformables) Environ éléments

12 Conditions limites Chargement 70g dans les 3 directions au centre de gravité

13 Résultats Analyse structurale : cas statique : 70g selon z Déplacement maximum = 0.15mm Von Mises maximum = 36MPa

14 Résultats Analyse des modes propres de la structure 1 er mode à 390 Hz Critère d aacceptabilité : > 120 Hz 14

15 CAO mécanique

16 CAO mécanique Centre de gravité, moments d inertie Bilan de masse

17 CAO mécanique Simplification géométrique - maillage Modèle E.F. Modèle constitué d éléments coques (2D) Pour diminuer : le nombre de DDL et donc les temps de calcul ( 10h) la quantité de données générées en résultats ( 100 Go)

18 CAO mécanique Modèle E.F. Modèle E.F. avec électronique intégrée Simplification géométrique - maillage Report des composants électroniques Masse, géométrie, emplacements des composants électroniques PDF Datasheets

19 CAO mécanique Simplification géométrique - maillage Report des composants électroniques Simulations Analyse modale Analyse aléatoire Effort quasi statique

20 CAO mécanique Simplification géométrique - maillage Report des composants électroniques Simulations Analyse modale Détermination des déplacements, des contraintes et des niveaux d accélérations vus par les composants électroniques Effort quasi statique Analyse aléatoire

21 CAO mécanique Simplification géométrique - maillage Report des composants électroniques Préconisations : revoir le positionnement des composants, rigidifier la structure mécanique Simulations Analyse modale Analyse aléatoire Effort quasi statique

22 CAO mécanique Simplification géométrique - maillage Report des composants électroniques Simulations Essais Modèle STM équipé d accéléromètres sur pot vibrant Effort quasi statique

23 CAO mécanique Simplification géométrique - maillage Report des composants électroniques Simulations Expertise Essais 1 5 m0 mm m Effort quasi statique

24 CAO mécanique Simplification géométrique - maillage Report des composants électroniques Simulations Expertise Essais 5 0 m m Effort quasi statique

25 Etude de rigidité d un support laser Objectif : Alignement optique à garantir entre le laser et des éléments optiques (miroir) d un instrument embarqué dans un rover martien 25

26 Etude de rigidité d un support laser Modèle coque 26

27 Encastrement Effort unitaire 27

28 Etudes des contraintes dans les rayons Critère de Von Mises 28

29 29

30 Résultats d étude paramétrique 30

31 Pour conclure : Intérêt de la démarche conception / calcul : -> processus itératif Conception Calcul Essais -> CAO /FEM à iso-configuration -> Etude de sensibilité de paramètres