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Méthode 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. L'analyse par éléments finis (FEA) est l'application pratique de la méthode des éléments finis (MEF).

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 des problèmes de performance potentiels (ou existants) du produit. La FEA est la mise en pratique de la méthode par éléments finis (FEM), qui est utilisée par les ingénieurs et les scientifiques pour une modélisation mathématique et une résolution numérique de problèmes structurels, acoustiques, électromagnétiques, thermiques complexes, de fluides et multiphysiques. Le logiciel de FEA peut être utilisé dans un large éventail d'industries, mais il est le plus souvent utilisé dans les secteurs de l'aéronautique, de l'automobile, de l'électronique, des machines industrielles, de la marine et des produits de consommation.

Un modèle par éléments finis (FE) comprend un système de points, appelés "nœuds", qui définissent la forme de la conception. Les éléments finis proprement dits, qui forment le maillage d'éléments finis et contiennent les propriétés du matériau et de la structure du modèle, définissant la manière dont ce dernier réagira dans certaines conditions, sont connectés à ces nœuds. La densité du maillage d'éléments finis peut varier dans le matériau, en fonction de la modification des niveaux de contraintes dans une zone particulière. Les régions qui subissent des modifications de contraintes importantes nécessitent habituellement une densité de maillage plus forte que celles subissant peu ou pas de variations de contraintes. Les points d'intérêt peuvent inclure des points de rupture d'un matériau préalablement testé, d'angles, de zones aux détails complexes et subissant de fortes contraintes.

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Une analyse par éléments finis pour la dynamique structurelle d'une boîte de vitesses pour un véhicule électrique visuels du groupe motopropulseur du logiciel Simcenter 3D.
Illustration du logiciel Simcenter Nastran, un solveur d'éléments finis (FEM) de premier plan.

Tirez parti de l'analyse par éléments finis pour améliorer les performances de vos produits

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Découvrez les avantages

L'analyse par éléments finis est une méthodologie bien établie souvent utilisée pour remplacer ou compléter les méthodes expérimentales et analytiques afin d'aider à la conception technique et à l'analyse des produits du quotidien. Par rapport au prototypage et aux expériences, les simulations basées sur l'analyse par éléments finis offrent les avantages suivants.

De meilleures performances

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

de réduction des délais

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 exploitant l'analyse par éléments finis, vous pouvez réduire considérablement le coût de développement de vos produits par rapport aux processus de test traditionnels basés sur des prototypes physiques.

Etapes du processus de simulation de la méthode des éléments finis (FEA)

Quel que soit le logiciel utilisé, la plupart des simulations FEA suivent ces étapes générales.

Modèle 3D d'un châssis de voiture avec visuel de mapping thermique du logiciel Simcenter 3D.

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 par résoudre les équations discrétisées de manière itérative à l'aide du solveur CFD.

Calcul

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

Analyse linéaire d'un visuel de structure mécanique du logiciel Simcenter 3D.

Post-traitement

Une fois le calcul terminé, l'étape suivante consiste à analyser et à visualiser les résultats de la simulation de manière qualitative et quantitative à l'aide de rapports, de moniteurs, de tracés, d'images 2D/3D et d'animations. La vérification et la validation des résultats sont également incluses dans cette étape.

Types d’analyse FEA

Analyse 1D (modèles de poutre)
L’analyse 1D fait référence à l’application de modèles créés uniquement par des éléments 1D composés de deux nœuds seulement, tels que les éléments poutres. L'analyse 1D peut être utile pour analyser à un stade précoce des structures qui sont généralement compliquées à modéliser, comme une carrosserie de voiture ou une structure d'avion. Le modèle de poutre 1D peut aider les ingénieurs à évaluer rapidement la dynamique de la carrosserie avant que la géométrie complète ne soit prête pour une analyse plus approfondie.

Analyse 2D (modèles de coques)
Les ingénieurs maillent la géométrie avec des éléments bidimensionnels tels qu’un élément quadrilatère ou triangle pour les corps à parois minces, comme les pièces en tôle. Les propriétés des éléments définissent ensuite l'épaisseur de l'élément coque que le solveur utilisera pour calculer la contrainte, les déformations et d'autres résultats. Les préprocesseurs d'analyse par éléments finis disposent d'algorithmes de maillage rapide qui aident les ingénieurs à créer un maillage coque sur la géométrie.

analyse 3D (modèles solides)
Pour une géométrie solide et volumineuse, comme un bloc moteur, les ingénieurs utilisent des éléments solides en 3D pour représenter la géométrie. Des éléments tétra, pyramidaux et hexagonaux sont créés dans tout le corps solide. Les préprocesseurs d'analyse par éléments finis disposent des outils dont les ingénieurs ont besoin pour créer des modèles maillés solides.

FEA multiphysique
La FEA moderne est plus qu’une simple simulation individuelle d’un domaine physique. Aujourd’hui, la méthode des éléments finis est devenue beaucoup plus multidisciplinaire en permettant aux ingénieurs de coupler différentes physiques, telles que l’interaction fluide-structure (FSI), la simulation thermo-mécanique, la dynamique multicorps avec des corps flexibles structurels basés sur l’EF, l’électromécanique-thermique et plus encore. La simulation multiphysique est d’une importance fondamentale dans les produits de plus en plus complexes qui nécessitent une ingénierie globale inter-domaines pour atteindre des performances maximales.

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Visuels du logiciel Simcenter 3D représentant un modèle de simulation de la conception d'un tracteur.

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Webinaire à la demande | Réutilisation d’anciennes données d’éléments finis pour créer des modèles au niveau du système

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