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Analyse par éléments finis

L'analyse par éléments finis (FEA) est la modélisation et la simulation virtuelles de produits et d'assemblages pour les performances structurelles, acoustiques, électromagnétiques ou thermiques. FEA est l'application pratique de la méthode des éléments finis (FEM).

Qu'est-ce que l'analyse par éléments finis ?

L'analyse par éléments finis est la modélisation de produits et de systèmes dans un environnement virtuel pour trouver et résoudre les problèmes potentiels (ou existants) de performance des produits. FEA est l'application pratique du FEM, qui est utilisé par les ingénieurs et les scientifiques pour modéliser mathématiquement et résoudre numériquement des problèmes complexes structurels, acoustiques, électromagnétiques, thermiques, fluidiques et multiphysiques. Le logiciel FEA peut être utilisé dans un large éventail d'industries, mais il est le plus couramment utilisé dans les industries aéronautique, automobile, électronique, machinerie industrielle, marine et des produits de consommation.

Un modèle à éléments finis (FE) comprend un système de points appelés « nœuds », qui forment la forme du dessin. Les éléments finis qui forment le maillage des éléments finis sont connectés à ces nœuds et contiennent les propriétés matérielles et structurelles du modèle, définissant ainsi comment il réagira à certaines conditions. La densité de la maille des éléments finis peut varier dans tout le matériau, en fonction du changement prévu des niveaux de contrainte d'une zone particulière. Les régions qui subissent de grands changements de stress nécessitent généralement une densité de maillage plus élevée que celles qui subissent peu ou pas de variation de stress. Les points d'intérêt peuvent inclure les points de fracture du matériau précédemment testé, les filets, les coins, les détails complexes et les zones à forte contrainte.

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Un visuel du Simcenter Nastran software, un solveur de premier plan par éléments finis (FEM).

Tirez parti de FEA pour améliorer les performances de votre produit

Voyez comment d'autres utilisent FEA pour concevoir l'innovation à l'aide de Simcenter.

Découvre les avantages

FEA est une méthodologie bien établie souvent utilisée pour remplacer ou compléter les méthodes expérimentales et analytiques pour faciliter la conception technique et l'analyse des produits de tous les jours. Par rapport au prototypage et aux expériences, les simulations basées sur la FEA offrent les avantages suivants.

Augmenter les performances

L'analyse par éléments finis vous permet d'analyser et d'explorer rapidement les possibilités d'ingénierie pour améliorer les performances du produit.

Réduction du temps

L'analyse par éléments finis vous aide à commercialiser des conceptions de produits optimisées plus rapidement qu'une méthode de construction et de test.

Réduction des coûts

En tirant parti de l'analyse par éléments finis, vous pouvez réduire considérablement vos coûts de développement de produits par rapport aux processus de test traditionnels basés sur des prototypes physiques.

Étapes du processus de simulation FEA

Peu importe le logiciel utilisé, la plupart des simulations FEA suivent ces étapes généralisées.

Modèle 3D d'un cadre de voiture avec visuel de cartographie thermique à partir du Simcenter 3D software.

Prétraitement

L'étape de prétraitement consiste à éditer la géométrie et à la préparer pour la simulation. Dans un processus appelé maillage, un outil de prétraitement convertit la géométrie de conception en petits éléments finis avant d'appliquer les propriétés des matériaux, les charges, les contraintes et les paramètres de simulation.

Le logiciel de simulation CFD commence à résoudre itérativement les équations discrétisées à l'aide du solveur CFD.

Résoudre

Le logiciel de simulation FEA commence à résoudre itérativement les équations discrétisées à l'aide du solveur. Cette étape peut nécessiter beaucoup de temps ou de ressources informatiques. Pour les simulations complexes, de plus en plus d'entreprises se tournent vers le cloud computing comme solution rentable à ce problème.

Analyse linéaire d'une structure mécanique visuelle à partir du Simcenter 3D software.

Post-traitement

Une fois la résolution terminée, l'étape suivante consiste à analyser et visualiser les résultats de la simulation qualitativement et quantitativement à l'aide de rapports, moniteurs, tracés, images 2D/3D et animations. La vérification et la validation des résultats sont également incluses dans cette étape.

Types d'analyse FEA

Analyse 1D (modèles de faisceaux)
L'analyse 1D fait référence à l'application de modèles créés uniquement par des éléments unidimensionnels composés de seulement deux nœuds, tels que des éléments de faisceau. L'analyse 1D peut être bonne pour examiner l'analyse précoce de structures qui sont généralement compliquées à modéliser, comme une carrosserie de voiture ou une cellule d'avion. Le modèle de faisceau 1D peut aider les ingénieurs à évaluer rapidement la dynamique du corps avant que la géométrie complète ne soit prête pour une analyse de niveau plus profond.

Analyse 2D (modèles de coque)
Les ingénieurs maillent la géométrie avec des éléments bidimensionnels tels qu'un élément quadridimensionnel ou triangulaire pour les corps à paroi mince, comme des pièces en tôle. Les propriétés de l'élément définissent ensuite l'épaisseur de l'élément de coque que le solveur utilisera pour calculer la contrainte, les déformations et d'autres résultats. Les préprocesseurs FEA ont des algorithmes de maillage rapide qui aident les ingénieurs à créer un maillage de coque sur la géométrie.

Analyse 3D (modèles solides)
Pour les géométries solides et volumineuses, comme un bloc moteur, les ingénieurs utilisent des éléments solides tridimensionnels pour représenter la géométrie. Des éléments tétras, pyramidaux et hexadéciaux sont créés dans tout le corps solide. Les préprocesseurs FEA disposent des outils dont les ingénieurs ont besoin pour créer des modèles à mailles solides.

Multiphysique FEA
La FEA moderne est plus que la simple simulation d'un seul domaine physique individuellement. Aujourd'hui, la FEA est devenue beaucoup plus multidisciplinaire en permettant aux ingénieurs de coupler différentes physiques, telles que l'interaction fluide-structure (FSI), la simulation thermique-mécanique, la dynamique multicorps avec des corps flexibles structuraux à base de Fe, l'électromécanique-thermique et plus encore. Simulation multiphysique est d'une importance fondamentale dans les produits de plus en plus complexes nécessitant une ingénierie multidomaine holistique pour atteindre des performances maximales.

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