DIMENSIONNEMENT DES STRUTURES EXERIE DE PERFETIONNEMENT SUR LES BASES DU OMPORTEMENT ELASTIQUE ET APPLIATION A LA MODELISATION DES STRUTURES PAR ELEMENTS FINIS tp-ef-poutre-fle-cis-mohr.doc/version du 01/11/010/JG ETUDE OMPARATIVE : THEORIES DES POUTRES ET ELASTIITE ELEMENTS FINIS 1 OBJETIFS A partir d une structure simple sur laquelle l on peut appréhender aisément son comportement général, il s agit : - de découvrir et de se familiariser avec les diverses méthodes de calcul permettant de déterminer l état de contraintes autour d un point. - d utiliser des outils graphiques si nécessaire (ici cercle de Möhr des contraintes) pour une aide à l analse du comportement de la poutre et pour vérifier la cohérence des résultats relevés sur le modèle éléments finis. - de montrer la difficulté et la rigueur nécessaire à l eploitation de résultats en contraintes issus d un modèle éléments finis (repère global ; repères locau liés : à l élément fini, au domaine élémentaire, à la facette ; ou encore repères principau). THEME D ETUDE En utilisant trois méthodes de calcul, on se propose d étudier le comportement d une poutre encastrée à une etrémité et chargée à son etrémité libre, et de réaliser ensuite l étude comparative des états de contraintes résultants dans une section droite d abscisse (loin de conditions au limites). b h l F T θ z () Mf z G v() 3 METHODES DE ALUL A UTILISER 3.1 Théorie des poutres Relation permettant de calculer la contrainte normale engendrée par le moment de fleion Mf z en en point d ordonnée de la section droite considérée d une poutre : Mf z = I z 3. Théorie de l élasticité (en contraintes planes) Relation entre l état de contraintes principales connu en un point et les composantes du vecteur contrainte en ce même point pour une facette ( t,n) de la section droite considérée. L angle α donne l orientation de normale ( n) de la facette par rapport à la direction principale ( 1 ). t,n c = cs s 1 cs 1, c = cos α avec s = sin α Relation permettant de calculer la contrainte tangentielle engendrée par l effort tranchant T en en point d ordonnée de la section droite rectangulaire considérée d une poutre : T 3 = 1 4 bh h Relation entre l état de contraintes quelconque connu en un point et les composantes du vecteur contrainte en ce même point pour une facette ( t,n) de la section droite considérée. L angle α donne l orientation de normale ( n) de la facette par rapport à la direction ( ). t,n c = cs s cs cs ) ( c s ), c = cos α avec s = sin α Voir représentations graphiques de l état des contraintes autour d un point par construction du cercle de Möhr des contraintes (cf. 5) 3.3 Modélisation par éléments finis Réaliser un modèle de la poutre avec ses conditions au limites en éléments poutres avec RDM6, en éléments finis solides avec ATIA V5, en éléments finis D en contraintes planes avec RDM6. 1
4 TRAVAIL A FAIRE 4.1 Données de la poutre - unités : mm et N - matériau acier d usage général : S35 (R eg 0.6 R e ) - affectation des caractéristiques géométriques (prendre l 10h et h>b) et du chargement (prendre un chargement n engendrant pas une contrainte mai à l encastrement supérieure à la limite élastique de l acier utilisé) (valeurs différentes pour chaque étudiant) hauteur : h largeur : b longueur : l abscisse : force : F = Y F 4. Eploitation des résultats Elaborer, dans le repère global XYZ, les trois modèles en éléments de finis et relever les différents états de contraintes (principal et quelconque) dans la section considérée. On notera le comportement perturbé ( 0 ) de la poutre à proimité de l application des conditions au limites. Pour la modélisation ATIA V5 : repère local : 1 X, Y, 3 Z ; ne pas considérer 33 = zz et la contrainte principale (attention le repère principal étant 1,3 contenu dans le plan médian X,Y) A l issue des calculs compléter le tableau recensant les valeurs maimales des contraintes dans la poutre. abscisse = 0 ordonnée = ±5 cote z=0 abscisse = ordonnée = 0 cote z=0 Mf = z ma = T 3 I ma = = z 1 4 bh h abscisse = 0 ordonnée = ±5 cote z=0 abscisse = ordonnée = 0 cote z=0 calcul RDM6 c. planes calcul manuel calcul ATIA V5 calcul RDM6 poutres Dans la section considérée d abscisse? et pour chaque méthode de calcul, calculer et relever les états de contraintes en cinq points (ordonnées : =± h/ ; = ± h/4 et =0 ; cote z = 0, plan médian). onsulter le 5 afin de vérifier la cohérence des résultats. Etablir ensuite un tableau rassemblant toutes ces valeurs calculées et relevées afin de pouvoir les eploiter. Pour les ordonnées particulières =± h/ et = 0, à partir des résultats issus des calculs de la théorie des poutres on peut fournir directement l état des contraintes principales. Justifier : abscisse =? ordonnées + h/ + h/4 0 - h/4 - h/ alculer ces valeurs à partir des relations de la théorie des poutres Retrouver ces résultats avec la relation d élasticité du 3. Relever ces valeurs sur la modélisation éléments finis RDM6 poutres ATIA V5 RDM 6 contraintes planes etraire les 4 graphes 11 1 α 1 3 1 1 1 α
4.3 onclusions Représenter l état de contraintes pour chaque petit domaine isolé en équilibre de la section considérée: =+h/ Particularité de l état de contraintes au point =0 : au point =h/ et =-h/ : =+h/4 Pour la section considérée quel est le critère de condition de résistance qu il faut vérifier et où? =0 =-h/4 =-h/ Le long de la poutre (hors conditions au limites) et pour une ordonnée donnée, donner la loi d évolution de : : : Sur feuille à part, à partir de l eemple numérique donné au 5 et pour les valeurs des contraintes relevées pour =- h/4, tracer à grande échelle (1mm pour MPa par e) le cercle de Möhr correspondant et vérifier la cohérence des résultats en utilisant les relations du 3. 3
5 ANNEXE : REPRESENTATION GRAPHIQUE DE L ETAT DE ONTRAINTES AUTOUR D UN POINT Rappel de la méthodologie de la construction du cercle de Möhr (contraintes planes) données : état de contraintes autour du point M dans un repère - état de contraintes sur deu facettes perpendiculaires de local () du domaine élémentaire d d (domaine en équilibre) normales n et n et vecteurs contraintes correspondants. d d M = + 500 = + 00 = + 100 = construction du cercle de Möhr des contraintes : à partir de l état plan de contraintes quelconque connu autour du point M (sur le cercle de Möhr, les valeurs des au point M pour chaque facette sont à eprimer dans les deu repères locau), on obtient l état de contraintes principal autour de ce point (compte tenu du sens descendant de l ae sur le cercle de Möhr, les angles α et α entre les aes et 1, respectivement sur le cercle de Mohr et sur les facettes, doivent être décrits dans les mêmes sens) repère principal (1,) 1-100 O 100 (MPa) 00 350 500 1 α 1 (MPa) t (170 MPa) n M M t 1 (530 MPa) n α 1 =+17 A a) tracé du cercle de Möhr b) directions et facettes principales vérification par le calcul (cf. 3.) des résultats obtenus par le tracé du cercle de Möhr (pour α=+17 et α=+73 ) Pour la sollicitation donnée en fleion et cisaillement de la poutre encastrée, on représente qualitativement les composantes (rouge) et (bleu) du vecteur contrainte en cinq points de la section droite à l abscisse de la poutre. Autour de ces points on a associé l état de contraintes principal d un domaine élémentaire de matière sur deu facettes (gris sombre) perpendiculaires : 1 (orange) et (vert). Pour ces deu états de contraintes on donne leur représentation correspondante sur le cercle de Möhr (ici n ). On a représenté aussi la distribution des contraintes normales (champ linéaire de trace rouge) et celle des contraintes tangentielles (champ parabolique bleu clair après rotation de π/ des vecteurs contraintes tangentielles) M M M, n M, n 4
α<0 = 0 1 =0 α<0 O 1 α<0 1 α<0 = 0 α<0 A O 1 O α<0 1 conventions pour le cercle de MOHR O α>0 conventions pour la facette considérée (t) α>0 1 α<0 1 O α<0 O (n) = 0 =0 α = 0 1 A O α = 0 1 5
6 ELEMENTS DE ORRETION 6.1 Données hauteur : h largeur : b longueur : l abscisse : force : Y F 10 5 100 50 +100 N 6. Elaboration des modèles et conditions au limites 6..1 RDM6 (éléments poutres) 6.. atia V5 (éléments solides) Remarque : pour un élément solide un nœud «bloqué» est équivalent à une rotule (3 ddl de translations bloquées), donc le terme encastrement utilisé par le logiciel n a de sens que pour une face où tous les nœuds sont bloqués. 6
6..3 RDM6 (éléments en contraintes planes) La géométrie et le maillage sont réalisés dans le module «Dessin». L analse est réalisée dans le module «Elasticité : contraintes planes» 7
6.3 Eploitation des résultats Valeurs des contraintes maimales relevées sur les modèles abscisse = 0 ordonnée = ±5 cote z=0 abscisse = ordonnée = 0 cote z=0 Mf z 100 100 T ma = = ± 5 = ± 10MPa 3 100 3 I z 416.66 ma = 1 4 = = 3MPa bh h 50 abscisse = 0 ordonnée = ±5 cote z=0 abscisse = ordonnée = 0 cote z=0 calcul manuel calcul RDM6 poutres = 10MPa = 3MPa ma ± ma + calcul ATIA V5 A l encastrement ( 11 ) ma ± 50MPa A l encastrement état très modifié ( 1 ) = 30MPa (= ±5) et = 10MPa (=0) ma + ma calcul RDM6 c. planes A l encastrement ma = ± 147MPa A l encastrement état très modifié = 9.89MPa (= ±5) et = 5.83Pa (=0) ma + ma abscisse = 50 ordonnées + h/ + h/4 0 - h/4 - h/ alculer ces valeurs à -60 0 +60 partir des relations de la théorie des poutres 0 +3 0-60 -30 0 +30 +60 Retrouver ces résultats 0 +.5 +3 +.5 0 avec la relation 1 0 +3 +60 d élasticité du 3. -60-3 0 Relever ces valeurs sur la modélisation éléments finis RDM6 poutres ATIA V5 RDM 6 contraintes planes (à etraire des graphes) 11 α -90-45 0-60 -30 0 +30 +60 1 3 0 +. +3 +. 0-60 -37 0 +37 +60 0 +1.9 +3. +1.9 0 1 1 0 +0.5 +3.7 +30 +60-60 -30-3.7-0.5 0-60.08-30 0 +30-60.08 0 +.1 +3 +.1 0 1 0 0 +3 +30 +60-60 -30-3 0 0 α -90-85 -45-5 0 8
6.4 onclusions Représenter l état de contraintes pour chaque petit domaine isolé en équilibre de la section considérée: π/ =+h/ =+h/4 =0 =-h/4 Particularité de l état de contraintes au point =0 : pas de contrainte normale et contrainte tangentielle mai au point =+h/ et =-h/ : =h/ : contrainte normale mai de compression égale à contrainte principale de compression =-h/ : contrainte normale mai de traction égale à contrainte principale de traction 1 Pour la section considérée quel est le critère de condition de résistance qu il faut vérifier et où? Ici critère de la contrainte normale mai < R e au point h/ convient Le long de la poutre (hors conditions au limites) et pour une ordonnée donnée, donner la loi d évolution de : : = f() : = te Sur feuille à part, à partir de l eemple numérique donné au 5 et pour les valeurs des contraintes relevées pour =- h/4, tracer à grande échelle =-h/ (1mm pour MPa par e) le cercle de Möhr correspondant et vérifier la cohérence des résultats en utilisant les relations du 3. 6.5 Vérification des hpothèses de la théorie des poutres Sur le modèle en éléments solides atia V5, on constate que loin des applications des conditions au limites les grandeurs ( ) 0, zz ( 33 ) 0, z ( 3 ) 0, elles sont donc négligées devant les contraintes, et z. Influence des conditions au limites : à l encastrement on constate que l hpothèse de Saint Venant n est plus vérifiée, eemple l état des contraintes normales est très perturbé. 9
6.6 Résultats en contraintes (abscisse =50) 6.6. RDM6 (éléments finis poutres) 10
6.6. atia V5 (éléments finis solides) 11
1
6.6.3 RDM6 (éléments finis en contraintes planes) 13
14
15
16