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Analyse par éléments finis

L’analyse par éléments finis (FEA) est la modélisation et la simulation virtuelles de produits et d’assemblages pour les performances structurelles, acoustiques, électromagnétiques ou thermiques. L’analyse par éléments finis est l’application pratique de la méthode des éléments finis (FEM).

Qu’est-ce que l’analyse par éléments finis ?

L’analyse par éléments finis est la modélisation de produits et de systèmes dans un environnement virtuel afin de trouver et de résoudre des problèmes potentiels (ou existants) de performance des produits. L’analyse par éléments finis est l’application pratique de la méthode des éléments finis (FEM), qui est utilisée par les ingénieurs et les scientifiques pour modéliser mathématiquement et résoudre numériquement des problèmes complexes de structure, d’acoustique, d’électromagnétisme, de thermique, de fluide et de multiphysique. Les logiciels d’analyse par éléments finis peuvent être utilisés dans un large éventail d’industries, mais sont le plus souvent utilisés dans les secteurs de l’aéronautique, de l’automobile, de l’électronique, des machines industrielles, de la marine et des produits de consommation.

Un modèle d’éléments finis (EF) comprend un système de points appelés « nœuds », qui forment la forme de la conception. Connectés à ces noeuds se trouvent les éléments finis qui forment le maillage par éléments finis et contiennent les propriétés matérielles et structurelles du modèle, définissant la façon dont il réagira à certaines conditions. La densité du maillage par éléments finis peut varier dans l’ensemble du matériau, en fonction du changement anticipé des niveaux de contrainte d’une zone particulière. Les régions qui subissent de grands changements de contrainte nécessitent généralement une densité de maillage plus élevée que celles qui subissent peu ou pas de variation de contrainte. Les points d’intérêt peuvent inclure les points de fracture d’un matériau précédemment testé, les congés, les coins, les détails complexes et les zones à fortes contraintes.

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Rotating machine structural simulation visual from the Simcenter 3D software.

Découvrez les avantages

L’analyse par éléments finis est une méthodologie bien établie souvent utilisée pour remplacer ou compléter les méthodes expérimentales et analytiques afin d’aider à la conception technique et à l’analyse de produits de tous les jours. Par rapport au prototypage et aux expériences, les simulations basées sur l’analyse par éléments finis offrent les avantages suivants.

Augmenter les performances

L’analyse par éléments finis vous permet d’analyser et d’explorer rapidement les possibilités d’ingénierie pour améliorer les performances du produit.

Réduction des délais

L’analyse par éléments finis vous aide à mettre sur le marché des conceptions de produits optimisées plus rapidement qu’une méthode de construction et de test.

Réduction des coûts

En tirant parti de l’analyse par éléments finis, vous pouvez réduire considérablement les coûts de développement de vos produits par rapport aux processus de test traditionnels basés sur des prototypes physiques.

Étapes du processus de simulation par éléments finis

Quel que soit le logiciel utilisé, la plupart des simulations FEA suivent ces étapes généralisées.

Modèle 3D d’un châssis de voiture avec visuel de cartographie thermique du logiciel Simcenter 3D.

Pre-processing

L’étape de prétraitement consiste à modifier la géométrie et à la préparer pour la simulation. Dans un processus appelé maillage, un outil de prétraitement convertit la géométrie de conception en petits éléments finis avant d’appliquer les propriétés du matériau, les charges, les contraintes et les paramètres de simulation.

Le logiciel de simulation CFD commence à résoudre de manière itérative les équations discrétisées à l’aide du solveur CFD.

Solving

Le logiciel de simulation FEA commence à résoudre de manière itérative les équations discrétisées à l’aide du solveur. Cette étape peut nécessiter beaucoup de temps ou de ressources informatiques. Pour les simulations complexes, de plus en plus d’entreprises se tournent vers le cloud computing comme solution rentable à ce problème.

Analyse linéaire d’un visuel de structure mécanique à partir du logiciel Simcenter 3D.

Post-processing

Une fois la résolution terminée, l’étape suivante consiste à analyser et à visualiser les résultats de la simulation qualitativement et quantitativement à l’aide de rapports, de moniteurs, de tracés, d’images 2D/3D et d’animations. La vérification et la validation des résultats sont également incluses dans cette étape.

Types d’analyse par éléments finis

Analyse 1D (modèles de poutre)

L’analyse 1D consiste à appliquer des modèles créés uniquement par des éléments à 1 dimension composés de seulement deux nœuds, tels que des éléments de poutre. L’analyse 1D peut être utile pour examiner l’analyse à un stade précoce de structures qui sont généralement compliquées à modéliser, telles qu’une carrosserie ou une cellule de voiture. Le modèle de poutre 1D peut aider les ingénieurs à évaluer rapidement la dynamique du corps avant que la géométrie complète ne soit prête pour une analyse plus approfondie.

Analyse 2D (modèles de coques)

Les ingénieurs maillent la géométrie avec des éléments bidimensionnels tels qu’un élément quadruple ou triangulaire pour les corps à parois minces, comme les pièces en tôle. Les propriétés de l’élément définissent ensuite l’épaisseur de l’élément de coque que le solveur utilisera pour calculer les contraintes, les déformations et d’autres résultats. Les préprocesseurs FEA disposent d’algorithmes de maillage rapide qui aident les ingénieurs à créer un maillage de coque sur la géométrie.

Analyse 3D (modèles solides)

Pour une géométrie solide et volumineuse, comme un bloc moteur, les ingénieurs utilisent des éléments solides en 3 dimensions pour représenter la géométrie. Des éléments tétra, pyramidaux et hexagonaux sont créés dans tout le corps solide. Les préprocesseurs FEA disposent des outils dont les ingénieurs ont besoin pour créer des modèles de maillage solide.

Analyse par éléments finis multiphysiques

L’analyse par éléments finis moderne ne se limite pas à la simulation d’un seul domaine de la physique individuellement. Aujourd’hui, l’analyse par éléments finis est devenue beaucoup plus multidisciplinaire en permettant aux ingénieurs de coupler différentes physiques, telles que l’interaction fluide-structure (FSI), la simulation thermomécanique, la dynamique multicorps avec des corps flexibles structurels à base d’éléments finis structurels, l’électromécanique-thermique, etc. La simulation multiphysique est d’une importance fondamentale dans les produits de plus en plus complexes qui nécessitent une ingénierie holistique inter-domaines pour atteindre des performances maximales.

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Visuels du logiciel Simcenter 3D représentant un modèle de simulation d’un tracteur.

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FAQ

L’analyse par éléments finis est-elle précise ?

L’analyse par éléments finis (FEA) est utilisée avec succès pour l’ingénierie des produits depuis des décennies. Parallèlement à cela, des approches de modélisation haute-fidélité et plus pragmatiques ont été développées en permanence, ce qui vous permet d’obtenir des résultats suffisamment précis plus rapidement.

Aujourd’hui, les ingénieurs peuvent et doivent choisir le niveau de précision qui correspond le mieux à leurs besoins pour répondre aux questions d’ingénierie avec un minimum d’effort de calcul. Le niveau de précision va des techniques de modélisation haute-fidélité qui permettent de prédire le comportement réel à quelques pourcents près, voire moins, aux méthodes rapides qui permettent de prédire rapidement les tendances.

Aujourd’hui, les processus de certification et de vérification des outils de simulation par éléments finis sont bien établis. Ils resteront un ingrédient essentiel aux progrès de l’analyse par éléments finis, à sa fiabilité et à sa confiance dans les jumeaux numériques et à son implantation dans de nouveaux domaines. Bien que la simulation prédictive réduise continuellement le besoin de mesures et de prototypage coûteux, elle continuera d’exiger des méthodes EF rigoureuses et la validation des meilleures pratiques par le biais d’expériences. 

Est-il difficile d’apprendre l’analyse par éléments finis ?

L’apprentissage de l’analyse par éléments finis nécessite du temps, du dévouement, une étude approfondie et de la pratique. Il est essentiel de comprendre la physique fondamentale sous-jacente de votre domaine, de comprendre les méthodes numériques et leurs limites et de pratiquer l’utilisation pratique de l’outil logiciel FEA réel. Grâce à l’automatisation, à l’augmentation de la puissance de calcul et à l’amélioration continue des interfaces utilisateur dans les logiciels d’analyse par éléments finis modernes, les obstacles à l’analyse par éléments finis haute fidélité diminueront encore à tous les niveaux d’utilisateur, ce qui permettra d’explorer les résultats et de prendre des décisions basées sur la simulation. Il est également essentiel de comprendre la dynamique physique fondamentale qui se déroule pour juger des résultats et prendre des décisions d’ingénierie significatives basées sur les résultats de l’analyse par éléments finis.

Quelles sont les applications de l’analyse par éléments finis ?

Les logiciels d’analyse par éléments finis sont utilisés dans un large éventail d’applications d’ingénierie chaque fois qu’il est nécessaire de comprendre ou de prédire la physique mécanique et ses effets sur la conception d’un produit ou d’un système. Dans le domaine de la conception de produits industriels, l’analyse par éléments finis a progressé jusqu’à la simulation du comportement multiphysique dans des géométries complexes, ce qui permet aux entreprises de comprendre et d’optimiser virtuellement la conception de leurs produits avant de construire un prototype.

Les industries où l’analyse par éléments finis est largement utilisée sont les suivantes :

  • Aéronautique
  • Automobile
  • Elles
  • Marine (conception de navires, systèmes de propulsion et conception de moteurs)
  • Électronique
  • Énergie (nucléaire, pétrole et gaz et production d’électricité)
  • Services du bâtiment
  • Sciences de la vie
  • Turbomachines
  • Sportif
  • Autres applications générales impliquant des structures, des vibrations, de l’électromagnétisme, du son, de la chaleur et de l’écoulement des fluides

Qu’est-ce que l’analyse FEM ?

La méthode des éléments finis signifie la même chose que l’analyse par éléments finis. La principale différence est que FEM se réfère plus spécifiquement à la méthode mathématique. Mais beaucoup de gens utilisent les termes FEM et FEA de manière interchangeable.

Parfois, les ingénieurs utilisent FEM pour faire référence au modèle d’éléments finis, qui signifie principalement le modèle maillé (1D, 2D ou 3D), qui peut également inclure des charges et des contraintes.

En savoir plus

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