Validation de conceptions mécaniques par la méthode des

Jonathan TANRIN

Ecole IN2P3 de calculs :

“Bases de calculs pour les concepteurs mécaniques”

18/06/2015

Retour d’expérience sur la validation de conceptions mécaniques

par la méthode des éléments finis

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

Sommaire

• Objectif :

– calculer le module d’élasticité du cristal liquide à partir de la

connaissance de sa 1ere fréquence propre et des équations du

mouvement

Expérience de mesure d’un module d’élasticité

d’un cristal liquide

3

• Principe de l’expérience :

– Mettre en oscillation le cristal liquide contenu dans un tube à essai

Expérience de mesure d’un module d’élasticité

d’un cristal liquide

4

Mesures expérimentales

5

• Résonnance parasite liée au mode propre du support de tube à essai :

- autour de 1800 Hz

Géométrie des supports de tube à essai

6

1ère version 2nde version

Analyse modale du support de tube à essai N°1

7

• Avec l’atelier CATIA

• Calcul des modes propres du support par analyse modale libre / libre

Analyse modale du support de tube à essai N°2

8

• Simplification de la CAO

• Mise en données (maillage, propriétés matériau)

• Analyse modale libre / libre

Mesures avec le support de tube à essai N°2

9

• 1ère fréquence propre du support (17 kHz) suffisamment loin de la

bande de fréquence à balayer.

=> Plus de fréquence parasite

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

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 19 000 éléments

Conditions limites

⇒ Chargement

⇒ 70g dans les 3 directions au centre de gravité

• Analyse structurale : cas statique : 70g selon z

▫ Déplacement maximum = 0.15mm

▫ Von Mises maximum = 36MPa

Résultats

• Analyse des modes propres de la structure

1er mode à 390 Hz

Critère d’aacceptabilité : > 120 Hz

14

Résultats

CAO mécanique

CAO mécanique

Bilan de masse

Centre de gravité,

moments d’inertie

Simplification géométrique

- maillageCAO mécanique

Modèle constitué d’éléments coques (2D)

Modèle E.F.

Pour diminuer :

• le nombre de DDL et donc les temps de calcul (≈10h)

• la quantité de données générées en résultats (≈100 Go)

Simplification

géométrique -

maillage

Report des

composants

électroniques

CAO mécanique

PDF Datasheets

Masse, géométrie,

emplacements des

composants

électroniques

Modèle E.F. Modèle E.F. avec

électronique intégrée

Simplification

géométrique -

maillage

Report des

composants

électroniques

CAO mécanique

Simulations

Analyse modale

Effort quasi statique

Analyse aléatoire

Simplification

géométrique -

maillage

Report des

composants

électroniques

CAO mécanique

Simulations

Analyse modale

Effort quasi statique

Analyse aléatoire

Détermination des déplacements, des

contraintes et des niveaux d’accélérations

vus par les composants électroniques

Simplification

géométrique -

maillage

Report des

composants

électroniques

CAO mécanique

Simulations

Analyse modale

Effort quasi statique

Analyse aléatoire

Préconisations :

revoir le positionnement

des composants, rigidifier

la structure mécanique

Simplification

géométrique -

maillage

Report des

composants

électroniques

CAO mécanique

Simulations

Effort quasi statique

Essais

Modèle STM équipé d’accéléromètres

sur pot vibrant

Simplification

géométrique -

maillage

Report des

composants

électroniques

CAO mécanique

Simulations

Effort quasi statique

EssaisExpertise

5

0

m

m

1

m

m

Simplification

géométrique -

maillage

Report des

composants

électroniques

CAO mécanique

Simulations

Effort quasi statique

EssaisExpertise

5

0

m

m

Etude de rigidité d’un support laser

25

• Objectif : Alignement optique à garantir entre le laser et des éléments

optiques (miroir) d’un instrument embarqué dans un rover martien

Etude de rigidité d’un support laser

26

• Modèle coque

27

Encastrement

Effort unitaire

28

Etudes des contraintes dans les rayons

Critère de Von Mises

29

Résultats d’étude paramétrique

30

Pour conclure :

Intérêt de la démarche conception / calcul :

-> processus itératif

-> CAO /FEM à iso-configuration

-> Etude de sensibilité de paramètres

Conception Calcul Essais