Introduction à l'analyse structurelle à l'aide des outils de simulation SOLIDWORKS

Tôt ou tard, ces questions peuvent nous passer par la tête :

• S'appelait-il Mohrs Circle, Von Mises, von my-says ?
• Où est ma TI-86 ?
• Ma conception est-elle assez solide ?

Ces questions ont en commun la théorie de l'ingénierie et d'innombrables heures et années de stress (tu comprends ?). Heureusement pourNorme SOLIDWORKS licences et plus, vous n'avez pas besoin de vous soucier de réaffûter ou d'apprendre FEA puisque tout le monde y a accèsSOLIDWORKS SimulationXpress, un outil d'analyse rapide pour aider les utilisateurs à évaluer les décisions de conception.

Cela signifie-t-il que vous pouvez faire des simulations FEA pourgratuit?  Oui, depuis 2008, les utilisateurs peuvent examiner efficacement l'effet des forces et des pressions appliquées à un modèle de pièce avec SimulationXpress (anciennement COSMOSXpress). SimulationXpress utilise le même solveur que celui deNorme de simulation SOLIDWORKS.  Vous pouvez activer SimulationXpress enen suivant ces instructions.

Il existe certaines limites lors de la gestion de configurations complexes, mais les résultats seraient identiques si vous exécutiez des études SimulationXpress dans SOLIDWORKS Simulation Standard. Nous examinerons certaines différences plus loin dans ce blog.

Étude de cas

Prenons l'exemple du confinement. Je mange bien, je reste à la maison et je deviens plus sensible à la gravité. J'ai trouvé un endroit convenable dans mon sous-sol inachevé pour installer une barre de traction entre les solives avec les matériaux restants de projets précédents. Je vais utiliser SOLIDWORKS SimulationXpress pour voir s'il est sécuritaire de se suspendre à un trou de 2 po dans un 2×4.

N'étant pas charpentier, je ne savais pas exactement où placer le trou de boulon. J'ai donc fait une étude rapide avec SimulationXpress pour déterminer où les contraintes étaient les plus faibles. Je suppose que l'axe neutre de la solive sera la position idéale du trou de boulon, car retirer de la matière des zones à faible contrainte est une méthode courante pour réduire le poids de la structure. Je veux m'assurer que le contact des poutres de support n'a pas d'effet anormal sur la répartition des contraintes. C'est là que l'analyse par éléments finis est extrêmement utile.

J'ai modélisé la solive avec le trou pour mon boulon 3/8 et utilisé Split Line pour créer une face séparée pour l'endroit où la grande rondelle et le boulon pousseront. J'ai ajouté des faces séparées pour le point de contact entre les poutres de support et la solive pour la fixation.

Comme mon poids repose sur deux poutres, j'ai défini la charge comme la moitié de mon poids de 180 lb répartie le long des deux côtés de la rondelle comme 90 lb (flèches violettes ci-dessous). En supposant que le couple l'empêche de glisser vers le bas, SimulationXpress vous permet de choisir la direction de la force.

J'ai ajouté des faces fixes aux points de contact des solives avec le support (flèches vertes ci-dessus). Après quelques recherches sur Google, j'ai trouvé quelques sites Web d'installation d'équipement lourd affirmant que les planchers à solives pouvaient supporter jusqu'à 50 lb par pied carré.

En supposant un facteur de sécurité de 10 pour une longue durée de vie en fatigue, j'appliquerai une pression de 5 lb/pi² sur la face supérieure (flèches bleues ci-dessus). Compte tenu de la complexité du bois de charpente, j'ai choisi le balsa comme matériau par défaut. Mon principe est que si le balsa est sécuritaire, je peux être certain que le bois de charpente résistera encore mieux.

Les résultats sont publiés avec unéchelle de déformationde 173 pour qu'on puisse voir ce qui se passe. Contrairement à SOLIDWORKS Simulation Standard, SimulationXpress n'a pas la possibilité de désactiver l'échelle de déformation. Dans le graphique ci-dessus, les points de contact avec la poutre de support peuvent être vus comme des contraintes élevées près de la gauche et à droite de la poutrelle. Je peux très clairement voir que le centre de la poutre est définitivement un bon endroit pour percer le trou car il y a très peu de contraintes.

En fait, on peut clairement voir que la contrainte du boulon est presque entièrement isolée des contraintes de traction et de compression. Il est temps que je passe à l'étape suivante.

La prochaine question est de savoir où percer le trou pour la barre de traction sur la pièce de 2×4 boulonnée à la solive. J'ai aussi utilisé la fonction « Ligne de séparation » pour sélectionner les faces concernées. Cette fois, j'ai divisé la face du trou de boulon, car dans le pire des cas, les forces se concentrent ici.

Après avoir analysé les résultats avec une densité de maillage élevée, j'observe une contrainte maximale de 225 psi autour du trou de boulon, ce qui signifie que la barre de traction ne posera aucun problème. En fait, la limite d'élasticité du balsa est de 2900 psi, ce qui me donne un coefficient de sécurité proche de 12. Le bois d'ingénierie étant beaucoup plus rigide, je considère que c'est une victoire.

En fait, si je vérifie le graphique du facteur de sécurité sur l'ensemble de la pièce, je ne vois pas de concentrations de contraintes à moins qu'il ne m'indique des endroits avec un FOS de 16 ou moins (voir ci-dessous).

Ça me rassure : ma barre de traction fonctionnera sans mauvaise surprise. Et tout ça grâce à la fonctionnalité SimulationXpress. Tout utilisateur de SOLIDWORKS peut le faire. Si vous avez besoin d'aide pour démarrer, la vidéo ci-dessous montre comment l'activer sur votre ordinateur.

Comparaison entre SOLIDWORKS SimulationXpress et SOLIDWORKS Standard Simulation

J'ai utilisé des lignes de fractionnement pour éviter d'avoir recours à plusieurs corps. Je n'ai pas simulé les contraintes de précharge des boulons, ni pris en compte le léger couple généré par le décalage 2×4. En effet, SOLIDWORKS SimulationXpress ne prend en charge qu'un seul corps et n'offre pas de connecteurs de boulons, de chargements à distance et quelques autres fonctionnalités. Voici quelques autres limites :

Après tout, SOLIDWORKS SimulationXpress est un produit gratuit. C'est un outil puissant, mais pour étudier plus en détail un assemblage avec des forces de contact et des configurations plus complexes, vous aurez besoin de SOLIDWORKS Simulation Standard. Vous pouvez accéder à une matrice plus détaillée du portefeuille SOLIDWORKS Simulation.ici.

À quel point la configuration et les résultats seraient-ils différents ? Découvrons-le !

Résultats de la simulation standard SOLIDWORKS

Il s'agit du premier niveau de la suite officielle Simulation. Simulation Standard vous permet d'étudier des ensembles complets, de gérer les ressources informatiques, de configurer des charges complexes, d'étudier la fatigue et même de suivre l'évolution de votre conception. Vous pouvez même copier la configuration de votre étude SimulationXpress dans Simulation Standard.

En quoi cette configuration est-elle différente ?

• Je crée une étude statique dans le fichier d'assemblage.
• Les composants de la boîte à outils vous éviteront d'avoir à créer des connecteurs de boulons individuels lors de la configuration.
• Tout matériel attribué sera importé dans l’étude.
• Aucun contact de pénétration ne simule les interactions des composants pour obtenir des forces de réaction précises.
• Des fixations évoluées vous permettent de stabiliser l'étude sans rigidifier inutilement les composants.
• Un maillage Beam réduit les temps de calcul sans compromettre la précision des résultats.

Voici à quoi ressemble la configuration de la norme de simulation :

Chaque couleur et chaque symbole aident à identifier rapidement la fonction assignée (à gauche), on peut même visualiser les faces de contact (à droite). Notez que tous les composants font maintenant partie de l'étude.

SOLIDWORKS Standard Simulation fournit également des détails précis pour visualiser les résultats. En visualisant le tracé de déplacement, on peut voir un moment de flexion causé par mon poids sur l'extérieur de la barre de traction.

SOLIDWORKS Simulation Standard me permet même de visualiser les contraintes internes, comme le cône de pression des boulons préchargés, en appliquant une vue en coupe au tracé des contraintes (voir ci-dessous). Je peux même visualiser les tracés de pression de contact pour m'assurer qu'il n'y a pas de concentration de contraintes dans les zones d'intérêt hors de vue.

Ça  ne sont que quelques-uns des avantages deSOLIDWORKSNorme de simulation .  

Maintenant, je peux reprendre de meilleures habitudes avec ma barre de traction. Voyons combien de tractions je peux faire d'ici notre retour au travail.