Simcenter Simsolid

La simulation numérique s'est imposée comme un pilier stratégique de la conception mécanique moderne. Des premières phases conceptuelles jusqu'à la validation finale, les solutions d'analyse structurelle permettent d'anticiper le comportement du produit, de réduire les campagnes d'essais physiques et d'accélérer la prise de décision en ingénierie.

Cependant, tout utilisateur de solutions FEM (éléments finis) connaît le principal goulot d'étranglement du processus : la génération du maillage. La simplification géométrique, le defeaturing, la définition des contacts et la validation de la qualité des éléments consomment une part importante du temps d'analyse.

Simcenter Simsolid répond à ce défi grâce à une technologie de simulation « meshless » (sans maillage), capable de travailler directement sur la géométrie CAO sans nécessiter la génération d'un maillage traditionnel.

Contrairement à ce que l'on pourrait penser, « sans maillage » ne signifie pas « sans discrétisation ». Simcenter Simsolid utilise une discrétisation volumétrique adaptative qui élimine le besoin de générer un maillage traditionnel basé sur un réseau régulier d'éléments finis.

Plutôt que de définir des nœuds et des connectivités, le logiciel divise la géométrie CAO en régions de support volumétriques, surfaciques et linéiques, sur lesquelles sont construites des fonctions d'approximation. Ces fonctions représentent le comportement élastique de la structure et s'adaptent automatiquement dans les zones où une précision accrue est requise.

Le résultat est une approche qui ne dépend pas de la qualité du maillage et qui n'exige aucune modification de la géométrie CAO d'origine. Même les modèles complexes, comportant de petits rayons, des filetages, des perçages ou des détails constructifs, peuvent être analysés directement, évitant ainsi les opérations de préparation ou de nettoyage du modèle CAO (CAD cleaning).

De plus, le solveur de Simcenter Simsolid est itératif et adaptatif : dans les zones à forte concentration de contraintes, le logiciel introduit automatiquement des degrés de liberté supplémentaires, améliorant progressivement la précision et la qualité de la solution.

Le premier avantage évident réside dans la rapidité de préparation du modèle. Des analyses qui, avec un code FEA traditionnel, nécessiteraient des heures de maillage peuvent être bouclées en quelques minutes, voire quelques secondes.

Mais l'apport de la technologie meshless de Simcenter Simsolid ne se limite pas au temps gagné lors de la phase de modélisation FEM. Elle offre également d'autres avantages structurants :

• Analyse directe sur CAO : sans simplification géométrique, sans idéalisation, sans defeaturing
• Assemblages complexes : gestion automatique de centaines de pièces, liaisons soudées et boulonnées
• Connexions intelligentes : reconnaissance automatique des contacts et des liaisons
• Précision validée : les études NAFEMS et les essais indépendants montrent des écarts de seulement quelques points de pourcentage par rapport aux solveurs FEA traditionnels
• Itérations rapides : possibilité d'évaluer plusieurs variantes de conception dans le temps qu'exigerait une seule analyse conventionnelle

À titre d'exemple, voici le modèle d'un petit assemblage composé de poutres en tôle pliée, assemblées entre elles par vis. Ce modèle a été analysé à la fois dans l'environnement FEM Simcenter Femap avec le solveur Simcenter Nastran et avec Simcenter Simsolid.

Étant donné que la géométrie autorise différentes approches de modélisation, l'analyse FEM « traditionnelle » a été menée en utilisant trois types de maillage distincts :

• Éléments Tetra10 : maillage généré automatiquement en définissant 2 éléments dans l'épaisseur des tôles. Le modèle a été construit avec 124 000 nœuds et 243 000 éléments.
• Éléments Hexa8 : par partition des corps en géométries simples et utilisation du Hexa-Mesher de Femap. Dans ce cas également, 2 éléments ont été modélisés dans l'épaisseur. Le modèle a été construit avec 34 000 nœuds et 54 000 éléments.
• Éléments Quad4 : par extraction de la surface moyenne des tôles via la commande Midsurface de Femap. Le modèle a été construit avec 16 000 nœuds et 17 000 éléments.

Dans les trois cas précédents, les vis précontraintes ont été représentées par des éléments Beam, connectés au reste du modèle via des éléments RBE2. La préparation de la géométrie nécessaire à la connexion des vis, ainsi que leur modélisation, ont constitué, dans tous les cas, l'une des phases les plus chronophages.
En appliquant aux différents modèles les mêmes conditions aux limites (encastrements, chargement et précontrainte des vis), les résultats suivants ont été obtenus en termes de déformation maximale de la structure.

Comme on peut l'observer, les résultats obtenus avec Simcenter Simsolid sont alignés avec ceux des deux modèles développés à l'aide d'éléments solides, tandis que le modèle réalisé avec des éléments shell présente une rigidité légèrement supérieure. Cela peut s'expliquer par le fait que l'élément Shell de Nastran n'est pas capable, de façon intrinsèque, de représenter des états de déformation et de contrainte variables à travers l'épaisseur.

Dans la zone des vis, la précontrainte introduit un état de contrainte qui tend à « comprimer » localement la tôle et cet effet ne peut pas être entièrement capturé par les éléments shell, ce qui conduit à un résultat légèrement approché.

On peut donc affirmer que la méthode meshless permet d'établir un flux de travail de simulation considérablement plus rapide, sans que ces simplifications n'aient d'impact significatif sur la précision des résultats.

À cet égard, de nombreuses études et comparatifs sont disponibles, analysant les résultats obtenus par le solveur meshless de Simcenter Simsolid face aux solveurs traditionnels. Parmi eux figurent aussi bien des références plus académiques, telles que les modèles de validation développés par NAFEMS, que des comparatifs orientés industrie, comme le benchmark réalisé entre Simsolid et SolidWorks Simulation.

Simcenter Simsolid trouve des applications dans plusieurs secteurs :

• Automobile et machines industrielles, où la rapidité est un facteur clé pour la validation de structures complexes comportant des liaisons soudées ou boulonnées.
• Conception produit, pour évaluer des concepts et optimiser des géométries en temps réduit.
• Architecture et construction, pour l'analyse de treillis, de façades et de structures métalliques complexes.
• Analyse en fatigue et vibrations, grâce aux modules intégrés dédiés aux évaluations SN/EN, y compris pour les liaisons soudées.

Malgré sa polyvalence, Simcenter Simsolid n'est pas encore en mesure de se substituer entièrement à l'analyse FEM traditionnelle. Certains cas d'usage révèlent des limites de sa technologie, pourtant robuste et fiable dans le champ de l'analyse linéaire des contraintes (linear stress analysis).

Par exemple, dans des scénarios impliquant des non-linéarités complexes, de la plasticité ou des analyses dynamiques transitoires, les méthodes traditionnelles demeurent incontournables. Néanmoins, la combinaison des deux approches permet aujourd'hui de disposer d'un flux de simulation plus efficace et itératif, déplaçant la validation numérique toujours plus en amont dans le processus de conception.

Simcenter Simsolid s'intègre facilement avec les systèmes CAO les plus utilisés du marché (SolidWorks, Inventor, Creo, NX et CATIA) et peut être utilisé aussi bien en tant qu'application standalone qu'intégré au sein de la plateforme Simcenter Inspire.

De nombreuses entreprises l'adoptent comme outil de pré-analyse, permettant de filtrer rapidement les alternatives les moins prometteuses afin de concentrer ensuite les efforts sur les solutions à plus fort potentiel, lors de la phase finale de validation via une approche FEM traditionnelle.

Cette approche « hybride » permet de réduire significativement les temps de développement, de favoriser la collaboration entre concepteurs et ingénieurs simulation, et d'atteindre un meilleur équilibre entre vitesse et précision.