validation de conceptions mécaniques par la méthode des
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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
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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
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• 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
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• 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
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Mesures expérimentales
5
• Résonnance parasite liée au mode propre du support de tube à essai :
- autour de 1800 Hz
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Géométrie des supports de tube à essai
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1ère version 2nde version
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Analyse modale du support de tube à essai N°1
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• Avec l’atelier CATIA
• Calcul des modes propres du support par analyse modale libre / libre
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Analyse modale du support de tube à essai N°2
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• Simplification de la CAO
• Mise en données (maillage, propriétés matériau)
• Analyse modale libre / libre
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Mesures avec le support de tube à essai N°2
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• 1ère fréquence propre du support (17 kHz) suffisamment loin de la
bande de fréquence à balayer.
=> Plus de fréquence parasite
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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
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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
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Conditions limites
⇒ Chargement
⇒ 70g dans les 3 directions au centre de gravité
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• Analyse structurale : cas statique : 70g selon z
▫ Déplacement maximum = 0.15mm
▫ Von Mises maximum = 36MPa
Résultats
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• Analyse des modes propres de la structure
1er mode à 390 Hz
Critère d’aacceptabilité : > 120 Hz
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Résultats
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CAO mécanique
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CAO mécanique
Bilan de masse
Centre de gravité,
moments d’inertie
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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)
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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
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Simplification
géométrique -
maillage
Report des
composants
électroniques
CAO mécanique
Simulations
Analyse modale
Effort quasi statique
Analyse aléatoire
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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
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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
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Simplification
géométrique -
maillage
Report des
composants
électroniques
CAO mécanique
Simulations
Effort quasi statique
Essais
Modèle STM équipé d’accéléromètres
sur pot vibrant
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Simplification
géométrique -
maillage
Report des
composants
électroniques
CAO mécanique
Simulations
Effort quasi statique
EssaisExpertise
5
0
m
m
1
m
m
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Simplification
géométrique -
maillage
Report des
composants
électroniques
CAO mécanique
Simulations
Effort quasi statique
EssaisExpertise
5
0
m
m
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Etude de rigidité d’un support laser
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• Objectif : Alignement optique à garantir entre le laser et des éléments
optiques (miroir) d’un instrument embarqué dans un rover martien
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Etude de rigidité d’un support laser
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• Modèle coque
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Encastrement
Effort unitaire
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Etudes des contraintes dans les rayons
Critère de Von Mises
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Résultats d’étude paramétrique
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Pour conclure :
Intérêt de la démarche conception / calcul :
-> processus itératif
-> CAO /FEM à iso-configuration
-> Etude de sensibilité de paramètres
Conception Calcul Essais