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FEM Tutoriel d'analyse transitoire

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FEM Tutoriel d'analyse transitoire
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Introduction

Cet exemple montre comment réaliser une analyse thermomécanique transitoire d'une bande bimétallique (en).

Créer le modèle

  1. À partir d'un nouveau projet FreeCAD, nous construisons notre bande bimétallique dans l' atelier Part
  2. Dessinez un Cube Solid et renommez-le en aluminium.
  3. Donnez-lui les dimensions 100 x 10 x 2 mm (longueur x largeur x hauteur).
  4. Créez un deuxième Cube nommé « Acier » avec les mêmes dimensions.
  5. Décalez cette pièce de 2 mm le long de l'axe Z (via Placement → Position → z).
  6. Sélectionnez les deux solides (en utilisant la touche Shift + clic de souris) et créez Fragments booléens à partir d'eux
  7. Renommez ces fragments booléens en bimetal strip
  8. Dans l'Éditeur de propriétés, nous changeons le mode de VueStandard à VueCompSolid. (Cela devrait également fonctionner en utilisant la commande Part Composite au lieu de Fragments booléens, cependant avec des formes croisées plus complexes, il pourrait y avoir des problèmes avec l'analyse FEM plus tard. Donc, il vaut mieux s'habituer à utiliser les fragments booléens en premier lieu.) Le résultat devrait ressembler à ceci:

Préparation et exécution de l'analyse FEM

Affecter les matériaux

Dans l'atelier FEM, nous créons un nouveau conteneur d'analyse et ajoutons à l'analyse un nouveau matériau solide nommé « Aluminium ». Dans la fenêtre de tâche qui s'affiche, nous sélectionnons l'un des alliages d'aluminium prédéfinis, tel que « Aluminium-6061-T6 ». Sous « Sélecteur de référence de géométries », nous attribuons le matériau à la bande inférieure de notre modèle en définissant le mode de sélection sur « Solide », en cliquant sur « Ajouter » et en sélectionnant une face ou une arête de la bande inférieure.

Nous fermons la fenêtre de la tâche et répétons les étapes pour créer un deuxième matériau « Steel » (jeu de paramètres de matériau de « CalculiX-Steel ») et l'affectons à la bande supérieure.

Création du maillage

Puisqu'une analyse par éléments finis a évidemment besoin d'éléments pour travailler, nous devons convertir notre modèle en un maillage. L'atelier FEM propose deux outils de maillage: Netgen et GMSH. Nous allons faire ici avec Netgen: avec l'objet booléen 'bimetal strip' sélectionné, nous cliquons sur l' icône Netgen dans l'atelier FEM. Dans la fenêtre de tâches suivante, nous devons faire différentes sélections, en partant du haut:

  • Finesse : sélectionnez la manière dont le modèle doit être découpé en éléments. Pour les modèles plus complexes avec des courbures et des intersections, nous pouvons augmenter le nombre d'éléments dans ces régions pour obtenir de meilleurs résultats (au prix de plus de temps de calcul, bien sûr). Les utilisateurs experts peuvent également le définir sur Défini par l'utilisateur et fixer les paramètres suivants. Pour notre modèle rectangulaire simple, le choix de la finesse n'a pas beaucoup d'impact, nous le laisserons à un niveau modéré.
  • Taille maximale : taille maximale (en millimètres) d'un élément. Plus petite est la taille maximale des éléments, plus nous en aurons - généralement, le résultat devient plus précis, mais avec une augmentation considérable du temps de calcul. Nous l'avons fixé à 2.
  • Deuxième ordre : signifie que, des nœuds supplémentaires seront créés dans chaque élément. Cela augmente le temps de calcul, mais constitue généralement un bon choix s'il s'agit de se s'adapter, comme dans notre analyse. Nous vous laissons tester.

En cliquant sur « Appliquer », vous lancez le générateur de maillage et, en fonction de la puissance de votre ordinateur, un maillage apparaît sur notre modèle.

Assigner des conditions aux limites

Une analyse FEM n'aboutirait à rien, car rien n'influe encore sur notre modèle. Ajoutons donc un peu de température: choisissez la température initiale à partir de l’atelier FEM et réglez-la sur 300 K. Ici, aucune partie du modèle ne pourra être sélectionnée, car ce réglage s’applique à l’ensemble du modèle.

Ensuite, utilisons pour la température agissant sur une face. Nous cliquons sur « Ajouter » dans le panneau des tâches. Deux faces de l'objet Ensemble Booléen doivent apparaître dans la liste ainsi que de petites icônes de température sur le modèle. Réglons la température à 400 K et fermons la fenêtre de tâche. Au début de l'analyse, les faces sélectionnées obtiendront une élévation instantanée de la température de 300 à 400 K. La chaleur sera conduite le long des bandes de métal et provoquera la torsion de la bande.

Avant de pouvoir exécuter l'analyse, une condition limite supplémentaire doit être définie: l'analyse ne peut être exécutée que si notre modèle est fixé quelque part dans l'espace. Avec nous sélectionnons les deux mêmes faces que pour la condition aux limites de température ci-dessus. Des barres rouges apparaîtront sur le modèle, indiquant que ces faces sont fixes dans l’espace et qu’elles ne peuvent pas se déplacer pendant l’analyse.

Lancer l'analyse

L'analyse peut déjà contenir un objet de solveur « SolverCalculiX ». Sinon, ajoutons en un en utilisant l'icône du solveur dans la barre d’outils. L'objet solveur a une liste de propriétés comme ci-dessous dans la section de gauche de la fenêtre. Ici, sélectionnons les options suivantes (laisser celles non mentionnées inchangées):

  • Type d'analyse : nous souhaitons effectuer une analyse thermomécanique. D'autres options pourraient être une analyse purement statique (sans effets de température), une analyse fréquencielle (vibrations) ou une simple vérification de la validité du modèle.
  • État stationnaire thermomécanique : état stationnaire signifie que le solveur renverra un seul résultat, les phénomènes physiques ayant atteint l’équilibre. Ce n’est PAS ce que nous souhaitons ; nous aimerions obtenir plusieurs résultats résolus dans le temps (analyse transitoire). Il faut donc désactiver cette option.
  • Durée : nous souhaitons simuler 60 s de processus.

Après avoir double-cliqué sur l'objet « solver », nous vérifions que « thermomech » est sélectionné, puis nous cliquons sur « Appliquer » pour lancer les calculs. Au bout d'un certain temps, le dernier message « Process finished » devrait s'afficher. Lorsque le chronomètre en bas de l'écran s'est arrêté, nous fermons le panneau « Task ». (Avec des modèles plus volumineux et/ou des ordinateurs moins performants, FreeCAD peut se bloquer et le minuteur peut ne pas s'afficher. Mais soyez patient : dans la plupart des cas, CalculiX continue de fonctionner en arrière-plan et finira par produire des résultats.)

Nous devrions désormais disposer d'un objet pipeline de « SolverCalculiXResult » comportant plusieurs images. Par défaut, la distribution de température devrait s'afficher. Nous pouvons double-cliquer sur le pipeline et passer à l’option « Magnitude de déplacement ». Nous pouvons ensuite ajouter un filtre de visualisation de déformation pour visualiser la déformation mise à l’échelle. Il est également possible d’exporter les résultats au format VTK et de les importer dans un post-processeur dédié tel que ParaView.

Téléchargements

Autre éxemple

  • Exemple bimétallique analytique. L'exemple analytique présenté dans le forum est inclus dans les exemples FEM de FreeCAD. Il peut être démarré par Python avec :
from femexamples.thermomech_bimetall import setup
setup()


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