Résumés des présentations

avillon Lassode,

7e édition

Colloque québécois

sur le développement numérique

de produits

Mercredi 4 mai 2016

7ème colloque québécois sur le développement numérique de produits

Modeling and numerical simulation of multi-layered fiber-reinforced materials applied for non-rigid parts deformation during assembly process

X-T. Pham1, N-H. Vu1, V. François2 and J-C. Cuillière2

1Département de génie mécanique, École de technologie supérieure

2Département de génie mécanique, Université du Québec à Trois-Rivières

Abstract Assembly process of non-rigid parts are important in aerospace and automotive industries. Parts are in large sizes compared to thickness and very flexible. They are usually made in sheet metals, thermoplastics and composites. Due to their flexibility, non-rigid parts may have different shapes in a free state than the design model due to geometric variations, gravity loads and residual stress. Special inspection fixtures in combination with coordinate measuring systems are generally used in industry to compensate deformations during the geometric inspection. The inspection process is quite expensive and very time-consuming. Instead, numerical simulations can be used as virtual inspection method to reduce cost and time1. In the frame work of the research project CRIAQ-MANU501, the finite element analysis (FEA) was used to evaluate the deformation of flexible fiber-reinforced thermoplastic composites (FRTPC) for virtual inspection where the mechanical behavior of FRTPC sheets was modeled as anisotropic materials using the approach of solid mechanics. The Lagrangian description was used for the deformation of FRTPC. An incompressible orthotropic hyperelastic material model was used for the behavior of FRTPC reinforced by two fiber families. As the thickness is small in comparison to other dimensions, thin shell element was used for FEA. The standard strain energy function for orthotropic materials can be defined as follows:

0 0Ψ ,Ψ , C a b (1)

where C is the deformation tensor, a0 and b0 are the directions of fibers. The second Piola-Kirchhoff stress tensor S is defined by the following:

Ψ

2

SC

(2)

The Cauchy stress tensor may be provided by the push-forward operation of S to the deformed configuration such as

1 TJ σ FSF (3) where F is the deformation gradient tensor and J the Jacobian. Table 1. Specimen and test parameters

Material Carbon fiber-reinforced (CF/PPS) Specimen dimension 300×34×1.24mm; 0.311mm /layer Support span 140 mm Velocity 4mm/min Max displacement at middle span 20 mm

                                                            1 V. Sabri, S. A. Tahan, X-T. Pham, D. Moreau and S. Galibois, “Fixtureless profile inspection of non-rigid parts using the numerical inspection fixture with improved definition of displacement boundary conditions”, Int J Adv Manuf Technol (2016), 82:1343–1352.

7ème colloque québécois sur le développement numérique de produits

In this paper, a strain energy function with 5 parameters was used to model the material behavior. The bending test was performed on the carbon fiber /PPS composite sample as shown in Figure 1. Test parameters are presented in Table 1. The parameters of the material model was obtained by nonlinear fitting as depicted in Figure 2. This set of material parameters was then used to simulate the deformation for the load test using a ball load and large sheet of multi-layer FRTPC. The displacement of the composite sheet predicted by numerical simulation performed with Abaqus using user-defined material was compared with the experimental results from the load test as presented in Figure 3. Results showed good agreement between them with slight discrepancies.

Figure 1. Bending test Figure 2. Fitting curve for bending test

Figure 3. Displacement comparison between experimental load test and numerical simulation

Black colour: Experimental deformed plateWhite colour: Simulation deformed plate

POINT 2

POINT 3

POINT 1 POINT 4

POINT 5

Analyse numérique du transfert de chaleur dans un transformateur de

puissance.

M.I. Farinas1

K.S. Kassi2, I. Fofana2 et C. Volat3

1Groupe de Recherche en Ingénierie de Procédés et Systèmes (GRIPS) 2Chaire de recherche du Canada sur les Isolants Liquides et Mixtes en Électrotechnologie (ISOLIME) 3Laboratoire de Modélisation et de Diagnostic des Équipements des Lignes Électriques (MODELE)

Département des Sciences Appliquées (DSA) Université du Québec à Chicoutimi, Chicoutimi, Québec, Canada

Le parc mondial des transformateurs de puissance vieillit dans tous les pays industrialisés. Devant la demande sans cesse croissante en énergie électrique, la gestion de la surcharge des transformateurs vieillissants est devenue un enjeu majeur au sein des compagnies d’électricité. Le refroidissement adéquat des transformateurs de puissance est donc essentiel pour l'espérance de vie de ces dispositifs. L'huile minérale est utilisée comme isolant/liquide de refroidissement et la dissipation thermique est réalisée par circulation forcée ou naturelle de cette huile à travers les enroulements. À l'UQAC, la Chaire de recherche du Canada sur les isolants liquides et mixtes en électrotechnologie (ISOLIME) étudie entre autres phénomènes l'impact du stress électrique, thermique, mécanique, environnemental et chimique sur ces liquides isolants. Dans les conditions d’opération, la qualité des huiles minérales isolantes se dégrade progressivement jusqu’à la formation de boue. Le système de refroidissement perd son efficacité et l'élévation de température résultante accélère l'oxydation et la détérioration de l'isolation solide. Des vieillissements accélérés réalisés en laboratoire permettent de quantifier la variabilité dans les propriétés thermofluides et dans les indicateurs de vieillissement des huiles à différents degrés. Ces données sont ensuite utilisées afin de réaliser une analyse numérique par éléments finis de ces effets sur un modèle de transformateur simplifié. Le modèle de transfert de chaleur conjugué du logiciel COMSOL Multiphysics v4.4 est utilisé pour étudier la distribution de vitesses et de température dans une géométrie 2D axisymétrique représentant un transformateur de type disque1. Suite à une validation du modèle numérique, les caractéristiques des huiles vieillies à différents degrés sont introduites dans le modèle afin d’en observer les effets. La position et la valeur des points chauds prédits dans les enroulements en fonction du degré de vieillissement de l’huile limitent la charge maximale et la durée de vie d’un transformateur. La connaissance de ces paramètres clés est pertinente pour l’ingénieur responsable de l’entretien des ces transformateurs.

1 F. Torriano, M. Chaaban, and P. Picher. Numerical study of parameters affecting the temperature distribution in a

disc-type transformer winding. Applied Thermal Engineering, 30:2034-2044, 2010.

Numerical modeling of interfacial flows

Ali Dolatabadi, Concordia University

Multi-phase flows and specifically Interfacial flows have many industrial

applications such as in inkjet printing, sprays, atomization, and coatings. In this talk,

numerical modelling of water droplet impact, coalescence, and solidification on

surfaces with various wettabilities from hydrophilic to superhydrophobic will be

discussed. The study serves as a building block for modelling ice accumulation on

aerodynamic surfaces such as aircraft wing or nacelle. In addition, few examples of

modelling interfacial flows in fuel spray and thermal spray processes will be

presented.

Portrait de la simulation numérique dans le contexte d'une petite

entreprise

Yannick Sirois, Lx Sim

Les simulations numériques sont généralement jugées très complexes et très

coûteuses et sont du coup traditionnellement réservées aux grandes entreprises. Le

besoin de simulations numériques se fait cependant ressentir dans toute la sphère

industrielle au Québec et ailleurs dans le monde ce qui donne naissance à des petites

compagnies de consultants en simulations. C’est le cas de Lx Sim, une PME de

Bromont se spécialisant dans ce domaine. Par l’entremise d’une présentation de

l’entreprise et d’exemples de projets, nous tenterons de faire ressortir les besoins, les

contraintes et comment les simulations numériques peuvent être utilisées dans le

cadre de la petite entreprise en service de consultation en CAO.

7ème Colloque québécois sur le développement numérique de produitsMercredi 4 mai 2016 - École Polytechnique de Montréal

Sur l'utilisation d'outils d'analyse numérique en ingénierie du véloJean-Marc Drouet, VÉLUS-IBERG, Département de génie mécanique, Université de Sherbrooke

L'objectif principal de cette présentation est de donner un aperçu de l'utilisation qui est faite des outilsd'analyse et de simulation numérique (OASN) dans le domaine de l’ingénierie du vélo. L'utilisation deces outils et plus spécifiquement de la méthode des éléments finis (MÉF) remonte aux années 1980.À cette époque, la MÉF était surtout utilisée pour effectuer des analyses structurales en élastostatiquelinéaire. Aujourd'hui, les OASN utilisés dans le domaine du vélo peuvent être regroupés selon troisprincipaux champs d'application (figure 1) : les outils d'analyse structurale [1], les outils de mécaniquedes fluides numérique (MFN) [2] et les outils d'analyse multi-physique [3].

L'utilisation des OASN lors de la conception d'un vélo et de ses composants jouent un rôle importantpour en accroître le niveau de performance que ce soit, par exemple, par une réduction de la masseou de la traînée aérodynamique. Il est à noter que malgré les avancées au niveau du développementdes OASN et de leur utilisation dans le développement de produits dans le domaine du vélo, lesmesures expérimentales (effectuées notamment sur bancs de tests, en soufflerie ou in situ) sonttoujours essentielles. Elles permettent non seulement de valider et de recaler les modèles numériquesmais elles servent également à les alimenter en fournissant, par exemple, des chargements réels pourles analyses structurales.

Figure 1 – Champs d'application des outils d'analyse et de simulation numérique dans le domaine du vélo

Références

[1] Derek Covill, Steven Begg, Eddy Elton, Mark Milne, Richard Morris, Tim Katz, Parametric Finite ElementAnalysis of Bicycle Frame Geometries, Procedia Engineering, Volume 72, 2014, Pages 441-446[2] Matteo Pogni, Nicola Petrone, Marco Antonello, Paolo Gobbato, Comparison of the AerodynamicPerformance of Four Racing Bicycle Wheels by Means of CFD Calculations, Procedia Engineering, Volume 112,2015, Pages 418-423[3] Abdullah, Mohd Naim, Mustapha, F., Muda, M. K. H., Arrifin, M. K. A., Rafie, A. S. M., AND Shamsudin, M. A.,Simulating bio-composite cycling helmet performance through FEA and CFD approaches, Movement, Health &Exercise, Volume 4, Number 1, 2015

Résumé de présentation • Jean-Marc Drouet - VÉLUS-IBERG, Département de génie mécanique, Université de Sherbrooke

Statique (e.g. champs de contraintes, rigidité) Dynamique (e.g. vibrations, confort) FBS (e.g. interaction dynamique vélo-cycliste)

structure

fluide

Composants seuls (e.g. roue, cadre) Systèmes multi-composants (e.g. fourche+roue) Systèmes vélo+cycliste simples ou mutiples

Conception des casques de vélo Collisions vélo-automobile

multi-physique

Optimisation

Mesures expérimentales

Sur quelques thématiques de recherche en calcul scientifique de

haute performance

André Fortin, Université Laval

Dans cet exposé, je montrerai comment la modélisation par éléments finis des

pneumatiques nous amène à développer de la méthodologie numérique générale

dans plusieurs domaines de recherche:

matériaux hyperélastiques en très grandes déformations

interactions fluide-structure

problèmes de contact frottant

problèmes à surfaces libres

parallélisme et problèmes de grande taille

adaptation de maillages

La clé du succès est l'utilisation d'un logiciel commun permettant le développement

conjoint avec des partenaires industriels.

Optimisation de boîtes-noires: Algorithmes et applications

Sébastien Le Digabel, École Polytechnique de Montréal

Nous considérons un problème d'optimisation où les fonctions définissant le

problème (objectif et contraintes) sont généralement fournies comme des boîtes-

noires. L'optimisation de boîtes-noires se produit donc lorsque les valeurs de ces

fonctions sont évaluées en exécutant des codes informatiques pour lesquels les

dérivées ne sont pas accessibles. Nous utilisons des algorithmes dits de recherche

directe qui utilisent uniquement les évaluations des fonctions pour effectuer leur

recherche. En particulier, on s’intéresse à la méthode de recherche directe sur treillis

adaptatifs (MADS), possédant des propriétés de convergence. Cet exposé présente

brièvement MADS et sa mise en œuvre via le logiciel NOMAD, puis décrit quelques

applications du monde réel: Le positionnement optimal de dispositifs de mesure du

couvert nival, la caractérisation d’objets à partir de radiographies, et l'optimisation

biobjective de trajectoires d’avions.

Page web: www.gerad.ca/Sebastien.Le.Digabel et www.gerad.ca/nomad

UNIVERSITÉ DU QUÉBEC À CHICOUTIMI

L'optimisation des pales d’éoliennes en matériaux

composites par un algorithme génétique

Présenté au colloque québécois sur le développement numérique de produits (7eme édition)

Polytechnique Montréal

Mai 2016

PAR

Adam Rafic CHEHOURI

Directeur de thèse : Jean Perron (UQAC)

Codirecteurs : Rafic Younes (LU), Adrian Ilinca (UQAR)

Université du Québec à Chicoutimi (UQAC)

555, boulevard de l’Université

Chicoutimi, Québec

Canada G7H 2B1

Université du Québec à Rimouski (UQAR)

300, allée des Ursulines

Rimouski, Québec

Canada G5L 3A1

Université Libanaise – EDST (LU)

Campus de Hadath

Beirut, Lebanon

RÉSUMÉ

L'épuisement de réserves de combustible fossile, des règlements environnementaux plus stricts et

les besoins d'énergie continuellement en croissance ont dirigé au déploiement de sources

d'énergie renouvelable alternatives. Parmi eux, l'énergie éolienne est une solution prometteuse et

la technologie qui a enregistré la plus rapide expansion au monde. En effet, on prévoit qu’avant

2030, au moins 20 % des besoins énergétiques des États-Unis seront fournis par des parcs

d’éoliens. Pour réaliser ce but, il faudra une augmentation significative d'installations d'éolienne

au cours des 15 années suivantes, et en parallèle une meilleure opérabilité d'éolienne est exigée

en préservant un coût d’énergie rentable et compétitif. En plus, l'éolienne doit toujours rencontrer

les politiques énergétiques en évolution permanente, les traités internationaux, les législations et

les règlements mis par les gouvernements.

Pour réduire le coût d'énergie (typiquement exprimé en $/kWh), les éoliennes ont grandi en taille

pendant les 30 dernières années. Ce qui est économiquement fructueux parce qu'en règle

générale, avec l’élévation de la hauteur et du diamètre du rotor, la vitesse moyenne du vent

augmente en raison du cisaillement du vent. Ceci a permis qu’une moindre unité d'éoliennes soit

exigée, ce qui mène inévitablement à une réduction des frais d'exploitation. Par conséquent,

comme la taille du rotor accroît, la performance mécanique de la structure et les exigences de

durabilité deviennent plus stimulantes. Actuellement, c'est toujours peu clair le diamètre de rotor

suprême qui peut être atteint avec les matériaux disponibles chez l’industrie actuelle [1]. Étant

donné la complexité du problème, il est indispensable de traiter la conception des éoliennes

comme un problème d’optimisation.

La nécessité pour l'industrie éolienne de fabriquer des laminés, à partir des couches

préimprégnées pauvres, les rend difficiles à former des formes complexes en raison des

installations de réfrigération nécessaires, avant que la résine ne commence à durcir. De tels

problèmes rendent difficile le choix d’un modèle de coût réaliste pour le problème d'optimisation

et c’est la raison pour laquelle beaucoup de modèles de coût que nous avons examinés ont

échoué à évaluer correctement les coûts de fabrication totaux. Dans la plupart des cas, le coût est

sous-estimé et ceci se répercute sur les variables de conception optimales. Puisqu’on s'attend que

la taille du rotor continue à augmenter, les charges dynamiques sur les composantes d'éoliennes

deviennent plus significatives. Ainsi, les exigences d'optimisation continueront à se solder en des

couches plus épaisses au long de la pale pour respecter les exigences de fatigue et de la rupture.

[1] M. Grujicic, G. Arakere, B. Pandurangan, V. Sellappan, A. Vallejo, M. Ozen, Multidisciplinary Design Optimization for Glass-Fiber Epoxy-Matrix Composite 5 MW Horizontal-Axis Wind-Turbine Blades, Journal of Materials Engineering and Performance, 19 (2010) 1116-1127.

Un aperçu du programme de R&D en simulation numérique des

groupes turbines-alternateurs à Hydro-Québec

Anne-Marie Giroux, Institut de recherche d’Hydro Québec

Un programme de recherche visant le développement de la technologie de

simulation numérique du comportement hydraulique et mécanique des groupes

turbines-alternateurs a été démarré à l’Institut de recherche en 2008. L’objectif pour

Hydro-Québec est d’optimiser le rendement du parc de production hydroélectrique

tout en assurant la fiabilité et la pérennité des équipements. La présentation donnera

un aperçu des progrès qu’un tel programme ont permis de réaliser et de montrer

quelques résultats d'applications.

Utilisation de la méthode des éléments finis dans le cadre de l’inspection automatique de pièces flexibles

Sasan Sattarpanah Karganroudi1, Jean-Christophe Cuillière

1, Vincent Francois

1, Souheil-Antoine Tahan

2

1Équipe de Recherche en Intégration Cao-CAlcul (ÉRICCA), Université du Québec à Trois-Rivières, Trois-Rivières, Québec, Canada

2 Laboratoire d'ingénierie des produits, procédés et systèmes (LIPPS), École de Technologie Supérieure, Montréal, Québec, Canada

Keywords: Geometric and fixtureless inspection, non-rigid parts, GNIF, principal curvatures, von Mises stress, V&V methods.

Sophisticated and highly featured non-rigid parts used in the aerospace and automotive industries require accurate quality

control. Computer-aided inspection (CAI) of these non-rigid parts significantly contributes to improving performance of

products, reducing assembly time and decreasing production costs. CAI methods use scanners to obtain point clouds on

parts and compare them with the nominal computer-aided design (CAD) model. The compliance of non-rigid parts causes

unwanted flexible deformation during inspection of these parts in a free-state. Virtual fixtureless CAI methods apply

numerical approaches, instead of sophisticated and expensive dedicated fixtures, to compensate for the deformation of

non-rigid parts during inspection. These approaches aim at scanning non-rigid parts in a free-state for which the main

challenge is to distinguish between possible geometric deviation (defects) and flexible deformation associated with free-

state.

Figure 1 : schematic diagram of the proposed automatic corresponding sample

point filtration method

As illustrated in Figure 1, in the proposed approach,

we first apply the generalized inspection fixture

(GNIF) [1] method to generate a prior set of

corresponding sample points between CAD and

scanned models. These points are used to deform

the CAD model to the scanned model via finite

element non-rigid registration. Then, defects are

identified by comparing the deformed CAD model

with the scanned model. The fact that some sample

points can be located close to defects results in an

inaccurate estimation of these defects. We present a

method to automatically filter out sample points

that are close to defects [2]. This method is based

on curvature and von Mises stress analysis. Once

filtered, the remaining sample points are used in a

new registration, which allows identifying and

quantifying defects more accurately. Our proposed

automatic sample point filtering method is validated

on aerospace parts based on validation metrics such

as the maximum amplitude of defects, the area of

defects and a validation and verification (V&V)

process, which is consistent with ASME V&V10.1-

2006 recommendations. This V&V process is based

on the Kolmogorov-Smirnov test to corroborate the

estimated results while assessing the robustness of

our inspection method. We also present preliminary

results of a new approach aimed at virtually

assessing necessary load for placing non-rigid parts

in their assembly position. This approach is based

on finding an optimized set of pressure loads that

need to be applied on the part to superpose

assembly features (such as mounting holes) of the

scanned model on those of the CAD model.

[1] H. Radvar-Esfahlan and S.-A. Tahan, "Nonrigid geometric metrology using generalized numerical inspection fixtures," Precision

Engineering, vol. 36, pp. 1-9, 2012.

[2] S. Sattarpanah Karganroudi, J.-C. Cuillière, V. Francois, and S.-A. Tahan, "Automatic fixtureless inspection of non-rigid parts

based on filtering registration points," The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2016

(doi: 10.1007/s00170-016-8496-5).