SOLIDWORKS Simulation vs Abaqus : Quand faut-il passer à une version supérieure ?

Le processus de conception technique peut prendre plusieurs voies lors de la création d'un nouveau produit. Au cours de la phase conceptuelle initiale, les concepteurs et les ingénieurs commencent généralement par une série de calculs initiaux, effectués de manière approximative, afin de déterminer la faisabilité d'une conception. Ces calculs sont basés sur des normes de l'industrie, des hypothèses typiques et des idéalisations, ce qui les rend rapides et simples à réaliser.

Au fur et à mesure que la conception progresse, les ingénieurs passent à des analyses plus détaillées pour la valider. C'est là que… Simulation SOLIDWORKS peut être utilisé pour analyser rapidement des composants individuels et des assemblages multi-pièces dans diverses conditions de charge.

Grâce à son interface conviviale et à son intégration étroite avec SOLIDWORKS CAO Grâce à SOLIDWORKS Simulation, les ingénieurs peuvent rapidement explorer plusieurs configurations ou solutions potentielles avant de mettre leurs modifications en production. En général, SOLIDWORKS Simulation est idéal pour la phase de conception préliminaire et permet de réaliser des analyses incluant des simulations statiques linéaires et non linéaires, ainsi que des simulations dynamiques spécifiques. De plus, SOLIDWORKS Simulation permet d'effectuer des analyses topologiques, de fatigue et thermiques, offrant ainsi la possibilité de répondre à un large éventail de questions de conception avec un seul outil.

Cependant, à mesure que les conceptions se complexifient, les limites de SOLIDWORKS Simulation deviennent évidentes, et des outils plus puissants comme Abaqus sont nécessaires. Dans cet article, nous comparerons SOLIDWORKS Simulation et Abaqus et aborderons les sujets suivants :

Table des matières

• Comparaison entre SOLIDWORKS Simulation et Abaqus
• Contrôle dans la génération de maillage
• Personnalisation des modèles de matériaux
• Approche de chargement
• Simulations dynamiques explicites
• Modélisation des contacts
• Informatique parallèle et en nuage
• Approche par licence
• Comparaison des problèmes de test
• Comparaison des résultats
• Étude de convergence du maillage
• Conclusion

Figure 1 : Idéalisation de la maturation d'une conception technique

En général, Abaqus permet d'obtenir un niveau de fidélité et de précision plus élevé dans les simulations grâce à la possibilité d'ajuster finement le maillage, à une sélection diversifiée de formulations d'éléments spécialisés et à de nombreux modèles de matériaux complexes. De plus, la capacité de représenter des scénarios multiphysiques permet aux ingénieurs de saisir de manière transparente les phénomènes interdépendants.

En résumé, le processus de conception en ingénierie passe généralement des calculs approximatifs à la conception conceptuelle et à la simulation avec SOLIDWORKS Simulation. Ensuite, la conception peut être transférée à Abaqus lorsqu'elle atteint un niveau de maturité et de complexité suffisant. Ces deux outils bénéficient d'une vaste communauté d'utilisateurs qui peuvent proposer diverses approches et analyses d'un problème via des vidéos en ligne, des blogues, des forums et des formations. Chacun présente ses propres avantages et inconvénients, et le choix de l'outil dépendra des besoins spécifiques du projet de l'ingénieur et de l'étape du cycle de conception dans laquelle il se trouve.

Comparaison entre SOLIDWORKS Simulation et Abaqus

Pour comparer SOLIDWORKS Simulation et Abaqus, nous avons créé une matrice qui met en évidence leurs forces et leurs faiblesses :

Principales différences entre SOLIDWORKS Simulation et Abaqus

Contrôle dans la génération de maillage

Figure 2 : Représentation de 1 ^er ordre tétraédrique (à gauche) et 2^etOrdre tétraédrique (à droite). C'est le style utilisé par SOLIDWORKS Simulation pour les solides 3D.

Lors de la génération d'un maillage pendant la phase de prétraitement, SOLIDWORKS Simulation peut créer des éléments de poutre 1D, des éléments de surface triangulaires 2D et des éléments solides tétraédriques 3D. Ces éléments peuvent ensuite être subdivisés en éléments linéaires de qualité brouillon ou en éléments quadratiques de haute qualité (également appelés respectivement éléments du premier et du second ordre). Le principal compromis entre ces deux types d'éléments réside dans la précision et l'efficacité du calcul.

Simulation SOLIDWORKSIl offre une génération automatique de maillage, ce qui peut être utile pour générer rapidement un maillage pour des géométries simples. Cependant, pour des géométries plus complexes, les utilisateurs peuvent avoir besoin de consacrer plus de temps à la création et à l'affinage manuels des distributions locales du maillage afin d'obtenir des résultats précis.

Figure 3 : Représentations d’éléments hexaédriques du premier ordre (à gauche) et du deuxième ordre (à droite). Abaqus permet d'utiliser des éléments hexaédriques et tétraédriques pour représenter la géométrie 3D.

Inversement,Abaqusoffre un plus large éventail d'options et de commandes permettant aux utilisateurs de créer des maillages de haute qualité capables de capturer avec précision le comportement de géométries complexes et de conditions de chargement. Avec l'outil de prétraitement  Abaqus/CAE Les ingénieurs ont accès à divers schémas de maillage, qui se répartissent généralement en trois catégories : structurés, non structurés et hybrides.

À l'instar de SOLIDWORKS Simulation, Abaqus/CAE permet de créer des poutres 1D, des éléments surfaciques 2D et des éléments volumiques 3D. Toutefois, une différence majeure réside dans la prise en charge des éléments surfaciques quadrilatéraux 2D et des éléments hexaédriques 3D. En général, les éléments hexaédriques sont plus efficaces en termes de calcul et nécessitent moins d'éléments pour reproduire fidèlement des réponses à des charges similaires que les éléments tétraédriques. Cependant, la performance de chaque type d'élément dépend grandement du contexte d'utilisation.

Silhouette 4 Comparaison des maillages tétraédriques et hexaédriques lors d'un essai de chute

Ci-dessus figure une comparaison illustrant les performances d'éléments tétraédriques et hexaédriques linéaires soumis à un test de chute dans Abaqus/Explicit.

Dans cette comparaison, l'impact de la goutte crée une onde de compression plane qui se propage vers le haut à travers le solide. Une fois que l'onde plane atteint la limite supérieure du solide, l'onde réfléchie se décompose en un mélange de figures d'interférence constructives et destructives lorsque les réflexions sur les côtés du solide commencent à interagir.

Ce motif d'interférence est plus facilement reconnaissable dans le maillage hexaédrique, car les résultats conservent un certain degré de symétrie tout au long du scénario, contrairement au maillage tétraédrique. En comparaison directe, le maillage tétraédrique présente un bruit numérique plus important dans les résultats.

Personnalisation des modèles de matériaux

Pour les utilisateurs qui cherchent à répondre à des questions plus fondamentales concernant leur conception, comme : « Mon composant va-t-il céder sous cette charge de traction ? »Simulation SOLIDWORKSIl possède une bibliothèque de matériaux exceptionnelle permettant d'extraire rapidement les propriétés des matériaux pour une utilisation en simulation. De plus, les utilisateurs peuvent créer des matériaux personnalisés avec des modèles allant des métaux isotropes élastiques linéaires simples aux caoutchoucs hyperélastiques non linéaires. Cela répond à une grande partie des besoins des analystes ; cependant, des limites apparaissent dans les capacités de modélisation des matériaux lorsque les non-linéarités doivent être prises en compte.

AbaqusAbaqus adopte une approche différente de SOLIDWORKS en matière de modélisation des matériaux. Plutôt que d'offrir une base de données de matériaux prédéfinis parmi lesquels les utilisateurs peuvent choisir, Abaqus offre de nombreux modèles de matériaux qui peuvent être adaptés aux besoins de l'utilisateur en fonction des propriétés qu'il choisit d'attribuer. Pour les métaux isotropes élastiques linéaires simples, le fonctionnement est identique à celui de SOLIDWORKS, à condition que le module de Young et le coefficient de Poisson soient équivalents entre les deux logiciels.

Abaqus surpasse SOLIDWORKS en matière de représentation précise des non-linéarités des matériaux, telles que l'accumulation des dommages, la mécanique de la rupture, la suppression d'éléments et même les méthodes d'éléments discrets pour les applications hautement non linéaires. Ceci est particulièrement utile pour les analystes souhaitant adapter les modèles de matériaux à des données spécifiques issues d'essais physiques, en vue de leur utilisation dans la simulation.

Figure 5 : Essai de résilience Charpy avec un modèle de matériau à éléments supprimés. Observez la disparition des éléments à mesure que la contrainte augmente !

Bien qu'Abaqus et SOLIDWORKS Simulation proposent tous deux une gamme de modèles de matériaux, Abaqus offre des fonctionnalités plus avancées pour la personnalisation et la modélisation du comportement non linéaire des matériaux. En bref, si un utilisateur cherche simplement à répondre à la question « Ma structure métallique va-t-elle se déformer dans ces conditions de charge statique ? », SOLIDWORKS est parfaitement capable de fournir des réponses de manière efficace. Lorsque la complexité augmente, par exemple pour la simulation d'une analyse d'impact de cette même structure, les utilisateurs peuvent avoir besoin d'un outil plus puissant comme… Solveur Abaqus/Explicite .

Approche de chargement 

Dans  AbaqusUn des éléments essentiels de la configuration d'une analyse est le concept d'étape. Au sein d'une simulation donnée, les utilisateurs peuvent enchaîner plusieurs étapes d'analyse de types variés. Un exemple courant :

• Étape 1 : Extraction des fréquences naturelles d'une structure dans son état de base.
• Étape 2 : Étape statique générale incluant des considérations géométriques non linéaires, où des contraintes se développent.
• Étape 3 : Extraction des fréquences naturelles pour mettre en évidence les effets de l’état de contrainte.

Cette approche de chargement par étapes fait partie intégrante de la configuration de l'analyse et permet aux utilisateurs d'enchaîner de nombreuses combinaisons d'analyses pour répondre à des questions spécifiques à une conception particulière.

De plus, les utilisateurs peuvent exploiter cette approche de chargement par étapes pour accélérer certains scénarios en tirant parti des fonctionnalités d'analyse de redémarrage d'Abaqus. Imaginez un utilisateur disposant d'une routine de précontrainte coordonnée et exhaustive, avec application séquentielle des charges, suivie de l'étude de plusieurs cas de charge où l'amplitude, la direction et le point d'application de la charge varient.

La première étape de l'analyse peut être effectuée une seule fois avec les informations de redémarrage demandées. Ensuite, chaque branche des amplitudes, directions et points d'application possibles peut être exécutée en utilisant la première analyse de redémarrage comme point de départ pour la simulation suivante. Ainsi, l'utilisateur peut éviter d'exécuter la routine de précontrainte à chaque fois, ce qui permet un temps d'exécution beaucoup plus rapide pour la couverture de tous les cas de charge possibles.

Il existe certaines limites quant aux analyses qui peuvent être liées entre elles. Par exemple, une courte procédure supplémentaire est nécessaire pour assurer le suivi d'une analyse. Abaqus/Standard étape générale statique avec un Abaqus/Explicite Cette étape est dynamique, car les deux solveurs utilisent deux utilitaires de résolution différents. Pour ce faire, l'utilisateur doit effectuer une analyse d'importation afin de convertir l'état de contrainte actuel et les informations géométriques d'un solveur à l'autre. Alterner entre le solveur explicite et le solveur standard dans Abaqus peut s'avérer très utile pour certaines applications d'analyse, comme l'étude du formage des métaux et du retour élastique.

Figure 6 : Courbe temporelle d'une charge de pression modélisée dans SOLIDWORKS. La transition entre les points de données est toujours linéaire. Il est impossible de poursuivre un calcul partiellement effectué.

Simulation SOLIDWORKSEn revanche, SOLIDWORKS Simulation n'utilise pas une approche de chargement par paliers. Pour coordonner l'application séquentielle de plusieurs conditions de chargement, l'utilisateur doit définir plusieurs courbes temporelles. Ces courbes permettent de contrôler le moment d'application des charges à la structure, mais offrent moins de précision que le schéma de chargement par paliers d'Abaqus. De plus, les analyses de redémarrage ne sont pas disponibles dans SOLIDWORKS Simulation.

Simulations dynamiques explicites

Figure 7 : Exemple de simulation dynamique explicite utilisant le solveur Abaqus

Les simulations dynamiques explicites sont généralement utilisées pour représenter la réponse d'une structure soumise à des conditions de chargement à vitesse de déformation et densité d'énergie élevées. Dans ces scénarios, les charges peuvent être appliquées à une vitesse comparable à la première fréquence propre de la structure. Contrairement aux simulations statiques, les valeurs de la vitesse et de l'accélération ne sont pas nécessairement nulles au cours de la simulation ; il est donc fréquent de devoir tenir compte des forces d'inertie et d'amortissement. Parmi les routines de simulation courantes, on retrouve les essais de chute virtuelle, les analyses d'ondes de choc et les analyses d'impact.

Dans Simulation SOLIDWORKSOn peut créer des simulations dynamiques explicites, mais seulement dans un sens très restreint. études sur les tests de chute L'utilisation d'un solveur explicite est toutefois limitée aux matériaux rigides, sans connecteurs virtuels, et nécessite la prise en compte du temps. Un solveur dynamique implicite est disponible pour les études non linéaires. Les limites de SOLIDWORKS Simulation sont dues aux lacunes des modèles de matériaux pour la modélisation des déformations à haute vitesse, ainsi qu'aux imperfections des contacts mécaniques, pouvant engendrer des résultats non physiques.

Par contre,AbaqusAbaqus/Explicit offre un solveur de dynamique explicite très performant et avancé. Les simulations recréant des interactions de contact complexes, des déformations extrêmes et des ruptures de matériaux à grande échelle sont parfaitement adaptées à ce solveur. Cet outil propose une multitude d'utilitaires pour représenter diverses situations complexes. Si un utilisateur prévoit une déformation très importante de son maillage lors d'une simulation de formage par pression, il peut utiliser la technique de maillage CEL (Coupled Eulerian Lagrangian) pour stabiliser le processus. La suppression d'éléments permet de retirer de la matière d'une simulation, notamment pour représenter l'écaillage et l'éjection de matière lors d'une analyse d'impact. Le contact général permet de représenter rapidement et facilement les interactions de plusieurs corps dans un domaine, sans avoir à spécifier manuellement toutes les paires de contacts possibles.

Ces exemples ne font qu'effleurer les techniques offertes par le solveur Abaqus/Explicit. Grâce à sa stabilité et à sa précision, ce solveur est largement utilisé dans les projets des secteurs de l'aérospatiale, de l'automobile et de la défense, où la prise en compte des événements dynamiques peut influencer considérablement la nature d'un produit. En général, Abaqus/Explicit est un solveur plus complet et sophistiqué que les routines disponibles dans SOLIDWORKS Simulation.

Modélisation des contacts

Figure 8 : Exemple de contact général dans une étude Abaqus/Explicit. Presque une grève !

La modélisation des contacts est une façon de représenter l'interaction de corps distincts lorsqu'ils se transmettent des forces et des pressions. Les interactions de contact simples impliquent généralement la transmission d'une certaine force normale d'un corps à l'autre afin d'empêcher la pénétration du maillage, ainsi que le développement de forces de frottement pour résister au glissement libre d'un maillage sur un autre.

SOLIDWORKS Simulation et Abaqus intègrent tous deux des algorithmes de modélisation des contacts pour représenter ce phénomène de mécanique des structures.

Simulation SOLIDWORKSpropose une méthode de contact basée sur une pénalité qui introduit une rigidité et une force de rappel entre les surfaces chaque fois qu'une pénétration est détectée pendant la résolution. Cette méthode est une approche simplifiée de la modélisation des contacts et peut donner des résultats réalistes, à condition qu'une rigidité de pénalité appropriée soit choisie.

Si la rigidité est trop faible, les corps peuvent se pénétrer les uns les autres, ce qui mène à des simulations non physiques. Inversement, si la rigidité est trop élevée, des contraintes artificiellement élevées peuvent être enregistrées. Une limitation de SOLIDWORKS est son recours exclusif à la méthode de pénalité linéaire comme mécanisme de contrôle.

Ça contraste avecAbaquset sa capacité à utiliser des mécanismes de contrôle supplémentaires tels qu'une relation tabulaire entre la surpression et la surpression, une méthode de pénalité non linéaire ou la méthode des multiplicateurs de Lagrange. Abaqus offre une plus grande flexibilité quant au nombre d'approches disponibles si des résultats non physiques apparaissent dans une simulation de contact.

Un autre avantage clé d'Abaqus est l'algorithme de contact général mentionné précédemment. Grâce à cet outil, les utilisateurs peuvent définir tous les corps à inclure dans le domaine de contact, prescrire un ensemble de propriétés d'application du contact et exécuter la simulation.

Dans l'animation ci-dessous, le domaine de contact général est spécifié par l'ajout de deux fonctionnalités à la simulation, plutôt que d'avoir à spécifier le potentiel d'interaction de chaque broche avec les autres.

Figure 9 : (Vue du dessus) Exemple de contact général dans une étude Abaqus/Explicit. Presque une collision !

Là où les utilisateurs de SOLIDWORKS Simulation devraient autrement spécifier manuellement chaque paire de contact potentielle et résoudre les problèmes de pénétration du maillage, les propriétés de contact général et d'application d'Abaqus représentent un gain de temps considérable dans les situations où plusieurs corps ou faces internes entrent en collision.

Informatique parallèle et en nuage

À mesure qu'un modèle par éléments finis s'agrandit et comprend un grand nombre de nœuds et d'éléments, le calcul parallèle devient une stratégie puissante pour gérer les longs temps de résolution.

Dans Simulation SOLIDWORKSLes utilisateurs peuvent exécuter des calculs multicœurs ; cependant, une limite importante réside dans le fait que la parallélisation de SOLIDWORKS Simulation atteint un plafond à un nombre de cœurs relativement faible par rapport au nombre de cœurs disponibles sur le marché des processeurs. De plus, les méthodes de calcul multiprocesseurs et distribuées ne sont pas prises en charge.

AbaqusEn revanche, ce logiciel dispose d'un solveur parallèle robuste capable d'exploiter efficacement les processeurs à grand nombre de cœurs, les postes de travail multiprocesseurs, les grappes HPC locaux et les environnements de calcul en nuage. Cela permet aux utilisateurs d'exécuter des simulations beaucoup plus vastes et complexes tout en réduisant considérablement le temps de calcul. Pour effectuer des calculs multicœurs, les utilisateurs doivent disposer d'un nombre de jetons suffisant pour respecter les exigences de la licence ; les simulations parallèles de grande envergure nécessitent plus de jetons que les simulations monocœur simples. Vous trouverez de plus amples renseignements à ce sujet dans la documentation. section sur les licences de notre guide d'achat Abaqus .

Approche par licence

Simulation SOLIDWORKSoffre trois niveaux de licence , notamment Simulation Standard, Simulation Professional et Simulation Premium. Chaque licence offre des fonctionnalités et des solveurs différents.

Le point d'entréeNorme de simulationCette licence propose une analyse statique pour les matériaux élastiques linéaires. Elle constitue un point d'entrée intéressant pour les utilisateurs souhaitant intégrer l'analyse par éléments finis (FEA) de base à leur processus de conception, en répondant à des questions de conception telles que : « Si j'ajoute un nouveau raidisseur à cette conception, dans quelle mesure cela limite-t-il la déformation élastique ? »

De l'autre côté de la hiérarchie des licences,Simulation Premiumdonne accès à des analyses dynamiques linéaires, non linéaires, thermiques, et bien plus encore. Lorsque l'utilisateur a besoin de simulations plus avancées, il peut passer au niveau supérieur de solveurs au sein de SOLIDWORKS Simulation.

Par contre,AbaqusAbaqus adopte une approche d'analyse par éléments finis unifiée : l'achat d'une licence permet à l'utilisateur d'exécuter toutes les analyses prises en charge par sa version. Les licences Abaqus étant basées sur le réseau, le préprocesseur et le solveur ne sont pas liés à une machine physique. L'achat d'Abaqus inclut aussi l'accès à… Suite d'optimisation fe-safe et Tosca pour l'analyse de la fatigue et l'optimisation topologique, respectivement. Bien qu'il s'agisse de programmes distincts, ils s'appuient sur les analyses Abaqus et utilisent les mêmes licences. Lors du processus d'achat, les utilisateurs discuteront de leurs besoins actuels et futurs en matière de simulation avec GoEngineer, qui leur proposera les options de licence les plus efficaces et les plus abordables.

Comparaison des problèmes de test

Pour mettre en évidence les similitudes et les différences entre Abaqus et SOLIDWORKS Simulation, nous avons préparé un modèle de test simple à simuler dans les deux programmes.

Dans ce modèle, deux plaques métalliques ayant des coefficients de dilatation thermique différents sont assemblées par quatre boulons en acier inoxydable. Le scénario de chargement considéré implique une précharge de 500 N appliquée à chaque boulon, suivie d'une variation adiabatique de la température du modèle afin de tenir compte des contraintes induites par la dilatation thermique. Les températures considérées pour l'analyse de la dilatation thermique incluent une température élevée (+200 °C) et une température basse (-100 °C). En raison de la différence du coefficient de dilatation thermique entre les deux plaques, la variation de température entraîne un désalignement des trous de boulons et une augmentation des contraintes dans les deux pièces. Un contact général (ou global) est utilisé dans les deux logiciels de simulation, créant ainsi des conditions de non-pénétration. Aucun frottement n'est modélisé entre les plaques.

Figure 10 : Aperçu de la géométrie à utiliser dans le problème de test

Dans ce cas, un modèle doublement symétrique peut être créé, ce qui nous permet de simuler seulement un quart du modèle total. Cela offre à la fois l'avantage d'une efficacité de calcul accrue et la possibilité de retrouver des résultats symétriques par rapport aux deux plans de symétrie principaux.

Conditions aux limites

Figure 11 : Représentation d’un quart de modèle dans SOLIDWORKS Simulation

Pour contraindre correctement ce modèle en vue d'une analyse statique générale, il est nécessaire de définir des conditions aux limites adéquates afin d'empêcher tout mouvement de corps rigide non contraint. Cependant, une surcontrainte peut engendrer des distributions de contraintes irréalistes. Pour une analyse de dilatation thermique, l'utilisation de la règle 3-2-1 de fixation est utile pour définir un ensemble de contraintes minimales. Cela permet au corps de se déformer plus librement autour d'un point de référence unique. Des conditions aux limites identiques sont appliquées aux modèles SOLIDWORKS Simulation et Abaqus afin de permettre une comparaison équitable.

Dans ce cas, nous avons utilisé deux plans de symétrie qui suppriment chacun un degré de liberté de translation et deux degrés de liberté de rotation autour de la direction normale de chaque plan de symétrie. Ainsi, la seule direction principale restante à contraindre est parallèle à l'axe du boulon. Cette contrainte finale est créée en appliquant une condition de déplacement nul à un sommet du trou central de la plaque inférieure en acier inoxydable.

Propriétés des matériaux

Pour cette simulation, deux matériaux ont été sélectionnés dans la bibliothèque de matériaux SOLIDWORKS. Dans ce scénario simple, seulement trois propriétés sont nécessaires pour caractériser pleinement la réponse. Comme le scénario est adiabatique et que la température augmente linéairement de manière globale, il n'est pas nécessaire de tenir compte de la chaleur spécifique, de la conductivité thermique et de la masse volumique. Par conséquent, le solveur, quel que soit le logiciel utilisé, n'a besoin que du coefficient de dilatation thermique pour déterminer les déplacements nodaux.

Figure 12 : Comparaison côte à côte du maillage tétraédrique SOLIDWORKS (à gauche) et du maillage hexaédrique Abaqus (à droite)

Affiché sur le droit , est le maillage hexaédrique linéaire du premier ordre généré pour leAbaqusSimulation avec une taille d'élément cible de 2,5 millimètres. Compte tenu de la forme rectangulaire de la géométrie globale, un maillage à dominante hexagonale convient parfaitement. Un raffinement local du maillage autour du trou de boulon a été spécifié afin d'accentuer la courbure de l'ouverture. Par conséquent, des éléments en forme de coin ont été générés pour limiter les éléments déformés qui auraient pu être générés dans un maillage composé uniquement d'hexagones. Avec cette taille d'élément cible, le nombre de nœuds atteint environ 12 500.

Affiché sur le gauche , est un maillage tétraédrique linéaire du premier ordre généré parSOLIDWORKS, également avec une taille d'élément maximale de 2,5 millimètres. Les éléments suivent la courbure des trous grâce au maillage automatique « mixte », mais au détriment de la symétrie permise par les éléments hexaédriques. Le temps de calcul est également légèrement plus long, car le nombre de nœuds dépasse 15 000.

Figure 13 : Connecteur de boulon SOLIDWORKS, déformation exagérée due à la précharge et image décrivant la formulation du connecteur de boulon (à gauche). Un boulon virtuel créé à l'aide d'une combinaison de couplages distribués et d'éléments de poutre dans Abaqus est également présenté (à droite).

Dans Abaqus, plusieurs approches existent pour la création d'un boulon virtuel qui, de manière générale, se répartissent en deux catégories de représentation de la tige du boulon. Soit on utilise un élément de connexion unique pour définir la relation entre deux points de référence des accouplements, soit on crée une ligne et on la discrétise à l'aide d'éléments de poutre 1D. Dans ce cas, le boulon est représenté par une combinaison d'éléments de poutre 1D et d'accouplements distribués.

Pour représenter à la fois la tête de boulon et l'écrou, un couplage distribué a été mis en œuvre afin de contraindre les degrés de liberté à un point de référence central. À partir de là, un maillage de poutre 1D a été généré avec un profil circulaire pour représenter la tige du boulon. Cette méthodologie a été choisie afin de pouvoir appliquer une section en acier inoxydable 316 à la tige du boulon. Cela nous permet de considérer l'influence de la température sur la dilatation ou la contraction du boulon lui-même en fonction de la variation de température.

Le connecteur de boulon virtuel dans SOLIDWORKS nous permet d'appliquer une précharge à un connecteur virtuel, comprimant ainsi les plaques l'une contre l'autre. SOLIDWORKS représente ce boulon comme un élément de connecteur unique à travers la tige, et dans ce cas, utilise des connecteurs rigides pour relier l'élément de connecteur à un cercle représentant la tête de boulon et l'écrou.

Le boulon virtuel SOLIDWORKS utilise également de l'acier inoxydable 316 et tient compte de la distribution de température des plaques environnantes, mais ne peut se dilater qu'axialement, et non radialement. Enfin, SOLIDWORKS peut choisir de considérer que la tige du boulon est ajustée fermement dans les trous, ou, comme dans ce cas, qu'elle présente un jeu. Dans le cas d'une tige de boulon avec jeu, la face verticale interne du trou de boulon n'est pas contrainte par rapport à la tige et peut se déformer indépendamment de celle-ci.

Comparaison des résultats

Figure 14 : Résultats de déplacement à basse température pour SOLIDWORKS (à gauche) et Abaqus (à droite)

Les résultats de la simulation de dilatation thermique à basse température (-100 °C) sont présentés ci-dessus. Les déplacements ont été multipliés par 100 pour visualiser la déformation entre les deux plaques. À basse température, la plaque en acier inoxydable située à la base de l'empilement se contracte plus rapidement que l'alliage de titane situé au-dessus. Ceci explique la forme convexe visible et un déplacement maximal d'environ 0,35 millimètre.

Dans une analyse globale des résultats, les deux distributions de déplacement sont comparables et du même ordre de grandeur. Les deux solveurs conviennent que le niveau de déplacement global maximal est d'environ 0,35 millimètre. Si l'on considère uniquement cette mesure, la conclusion générale serait semblable ; cependant, un examen plus approfondi révèle que les résultats générés par la simulation Abaqus semblent plus réalistes, notamment en ce qui concerne l'interaction autour du trou de boulon.

Figure 15 : Résultats de déplacement à basse température à l'échelle 100x pour SOLIDWORKS (à gauche) et Abaqus (à droite)

Lorsqu'on multiplie les dimensions par un facteur de 100, un certain degré de désalignement est attendu en raison de la déformation élastique de la tige du boulon ; cependant, les résultats obtenus avec SOLIDWORKS Simulation indiquent un désalignement bien plus important que celui obtenu avec Abaqus. Ceci est probablement dû à l'inclusion des éléments de poutre dans le domaine de contact général d'Abaqus. Cette interaction entre la tige et le trou du boulon limite le désalignement. SOLIDWORKS Simulation ne tient pas compte du contact connecteur-surface, ce qui entraîne un désalignement plus important. De plus, comme un ajustement lâche a été choisi pour le connecteur virtuel SOLIDWORKS, les trous de boulon peuvent se dilater plus librement les uns par rapport aux autres, contrairement à l'implémentation dans Abaqus.

Figure 16 : Résultats de la pression de contact à basse température sur la plaque inférieure pour SOLIDWORKS (à gauche) et Abaqus (à droite). Le profil de la poutre dans les résultats Abaqus a été agrandi de 0,75x pour la visualisation post-traitement.

Lorsqu'on compare la pression de contact, les résultats diffèrent sensiblement en raison de l'inclusion des éléments de poutre dans le domaine de contact général d'Abaqus. Lorsque le profil de la poutre est mis à l'échelle par un facteur de 0,75, on observe le développement de la pression de contact autour du centre de la tige, là où elle s'appuie contre le bord supérieur de la plaque en acier inoxydable. Sans cette interaction de contact contraignante, SOLIDWORKS indique que le contact surface-surface est le facteur limitant la déformation des plaques. Dans ce cas, l'approche adoptée dans la simulation Abaqus est plus réaliste, car la tige occupe un espace physique et créera une interférence mécanique lors de sa déformation.

Étude de convergence du maillage

En analyse par éléments finis, il est courant de réaliser une étude de convergence du maillage (également appelée étude d'affinage du maillage), où l'utilisateur affine continuellement le maillage et suit l'évolution de la variable de sortie d'intérêt. En l'absence d'erreurs de modélisation, à mesure que l'affinage augmente, la solution d'une simulation par éléments finis devrait converger vers une valeur cohérente et indépendante du maillage. Ce gain de précision se fait au détriment de l'efficacité de calcul : chaque raffinement supplémentaire augmente considérablement le temps de calcul tout en ne modifiant que marginalement la valeur de sortie d'intérêt.

Dans ce scénario, une étude de convergence du maillage a été réalisée en faisant varier la taille des éléments cibles de 10 millimètres (taille maximale) à 1,25 millimètre (taille minimale). Les solveurs ont été testés avec des éléments linéaires (premier ordre) et quadratiques (deuxième ordre). La variable de sortie d'intérêt suivie était le déplacement maximal global de l'assemblage à haute température (+ 200 °C) et à basse température (-100 °C).

Dans cette analyse, les deux solveurs convergent vers une valeur similaire de 0,475 millimètre pour la condition de haute température (+200 °C) et de 0,342 millimètre pour la condition de basse température (-100 °C). Comme prévu, les éléments du deuxième ordre ont convergé plus rapidement que ceux du premier ordre pour les deux solveurs. En raison du temps de calcul plus long des éléments du second ordre et d'une justification suffisante de l'indépendance du maillage, l'étude de convergence du maillage du second ordre a été limitée à 2,5 millimètres pour les deux solveurs.

Les éléments hexaédriques du premier ordre d'Abaqus ont commencé à correspondre aux éléments hexaédriques du second ordre à 5 mm. Avec un processeur à 4 cœurs, le calcul a pris 37 secondes. Les éléments tétraédriques du premier ordre de SOLIDWORKS Simulations ont commencé à correspondre aux éléments tétraédriques du second ordre à 1,25 mm. Avec un processeur à 6 cœurs, le calcul a pris 191 secondes. Les éléments du deuxième ordre des deux solveurs ont produit des résultats de déplacement relativement précis à 10 millimètres, avec un temps de calcul d'environ 20 secondes.

La figure ci-haut illustre le nombre de nœuds générés dans l'assemblage en fonction de la taille cible des éléments. Plus la taille cible des éléments diminue, plus le nombre de nœuds augmente rapidement, comme le montre la croissance non linéaire sur un axe Y logarithmique. De plus, on constate que les éléments du second ordre génèrent environ cinq fois plus de nœuds. Cela contribue directement aux temps de calcul plus longs requis pour les éléments du second ordre, car le nombre de degrés de liberté du modèle est directement corrélé au nombre de nœuds.

L'autre information clé est le nombre réduit de nœuds pour les éléments hexaédriques (Abaqus), tant pour les éléments du premier ordre que pour ceux du second ordre. Sans entrer dans les détails des différences entre les solveurs ni dans les considérations relatives aux environnements de calcul parallèle optimisés, on constate ici qu'un nombre réduit de nœuds pour le maillage à dominante hexagonale permet d'obtenir des temps de résolution plus rapides tout en fournissant des résultats précis.

Conclusion

Les outils d'analyse par éléments finis (FEA) font des approximations – assurez-vous de bien comprendre leurs effets.

À chaque tâche correspond un outil adapté. Ce cas pratique a démontré que SOLIDWORKS Simulation constitue un logiciel de simulation de haut niveau performant, capable de fournir des réponses précises aux questions générales à l'échelle de ce sous-ensemble. La validation obtenue par la métrique de déplacement global entre les deux solveurs, convergeant vers une solution semblable, en témoigne. Si ce critère est le seul à évaluer l'efficacité d'un composant ou d'une conception, alors SOLIDWORKS Simulation peut répondre à cette question précise. Toutefois, les résultats obtenus avec tout logiciel d'analyse par éléments finis (FEA) doivent être interprétés en tenant compte des approximations effectuées lors du calcul. Avec SOLIDWORKS, en particulier pour les problèmes de contact, il est essentiel de tenir compte des limites et des hypothèses qui influencent l'interprétation des résultats.

Une plus grande complexité nécessitera Abaqus

De plus, ce problème de test se situe à la limite de complexité pour les deux solveurs et a été conçu pour être réalisable par les deux. Cependant, si sa définition était élargie pour inclure un joint en caoutchouc souple entre les deux plaques, une précharge beaucoup plus élevée sur les boulons et/ou une pression de fluide interne appliquée au trou central, SOLIDWORKS Simulation pourrait avoir de la difficulté à produire des résultats précis. D'ailleurs, si ce composant à deux plaques était un sous-ensemble d'un assemblage beaucoup plus vaste, une station de travail à grand nombre de cœurs ou accélérée par GPU, ou encore le calcul dans le nuage, serait nécessaire pour obtenir des résultats rapidement. Grâce à sa nature de solveur d'éléments finis hautement évolutif, Abaqus prend le relais et devient une solution beaucoup plus efficace là où SOLIDWORKS commence à atteindre ses limites.

Abaqus peut pousser vos produits – et vos innovations – à leurs limites.

Abaqus est la prochaine étape dans le processus de conception technique après SOLIDWORKS Simulation. Pour évaluer et diagnostiquer les points de défaillance d'une structure multicorps soumise à diverses conditions de chargement, Abaqus offre une suite d'outils beaucoup plus performante. Correctement implémenté, Abaqus permet une approche globale de la modélisation par simulation.

Comment commencer avec Abaqus

Nos pages de produits pour Abaqus traditionnel et 3DEXPÉRIENCE STRUCTURALE (qui est essentiellement Abaqus sur le Plateforme 3DEXPÉRIENCE ) sont un excellent point de départ pour en apprendre davantage sur Abaqus. Guide d'achat d'Abaqus Il répond également à de nombreuses questions fréquemment posées sur le logiciel, le processus d'achat, l'emballage, les licences, les fonctionnalités infonuagiques, et bien plus encore.

Vous pouvez aussi tout simplement Contactez-nous pour une introduction personnalisée et guidée à Abaqus, adaptée à votre entreprise, forte de nos nombreuses années d'expérience en tant que cabinet de conseil en simulation.

Enfin, même si vous n'êtes pas encore prêt à acquérir Abaqus, vous pouvez toujours profiter de nombreux avantages évoqués ici, projet par projet, en tirant parti de notre services avancés FEA , pour lequel nous utilisons principalement Abaqus.

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