FEM en ingénierie mécanique : workflow Ansys intégré pour l’évaluation des soudures

Les constructions comme le cadre de base soudé d’une remorque de poids lourd sont souvent évaluées dans un premier temps à l’aide d’estimations simples ou d’outils FEM intégrés au CAD.

Pour une évaluation grossière de la rigidité, cette approche peut fonctionner. Mais dès que les charges augmentent, que des potentiels de construction légère doivent être exploités ou qu’une vérification de résistance conforme aux normes et apte à l’examen est exigée, cette méthode atteint vite ses limites. Un simple champ de contraintes ne suffit alors plus. C’est précisément à ce moment‑là que vous pouvez vous appuyer sur Ansys Mechanical.

Châssis de base pour poids lourd : en apparence simple, en réalité exigeant

Un cadre de base pour une remorque de poids lourd doit fournir la rigidité nécessaire pour accueillir différents types de superstructures. Pour des raisons économiques, il est soudé à partir de profilés et de tôles standards. Dans l’environnement CAD, on obtient ainsi un châssis composé de longerons et de traverses, de zones renforcées, de points d’appui et de nombreuses soudures.

À première vue, cela semble simple. En réalité se présentent toutefois des défis typiques :

• La géométrie CAD provient souvent d’une phase de conception précoce. Les tôles se chevauchent, il existe des fentes, des débords et de petites imprécisions. À ce stade de la conception, cela n’a aucune conséquence, car en production les tôles sont ajustées sur place et les joints sont comblés. Le modèle contient généralement la préparation des soudures, mais pas les soudures ellesmêmes. Les exigences envers le modèle CAD diffèrent donc entre la fabrication et la FEM, ce qui entraîne des difficultés de maillage et d’évaluation.

• Le châssis n’est pas seulement soumis à des charges statiques. En conditions de roulage, il subit des charges variables : freinage, nidsdepoule, virages, charge inégale. Pour les soudures, ces sollicitations cycliques sont particulièrement critiques. Alors que statiquement c’est souvent la structure autour de la soudure qui cède, en cyclique c’est la soudure ellemême qui devient le point faible. Se limiter ici à un calcul linéaire unique du champ de contraintes risque de masquer des points critiques ou conduit à appliquer des marges de sécurité très élevées.

Évaluation des contraintes selon la FKM

Dans le génie mécanique, toute personne qui souhaite obtenir des conclusions fiables sur la résistance d’un composant s’appuie généralement sur la directive FKM « Calcul de vérification de la résistance pour les composants de construction mécanique ».

La directive définit :

• comment les caractéristiques matériaux sont transposées sur la pièce réelle,
• comment établir les vérifications statiques et cycliques,
• comment intégrer les coefficients de sécurité et les facteurs d’influence,
• et comment déterminer au final un taux d’utilisation qui indique clairement si la vérification est remplie.
  

Point important : la FKM n’indique pas comment calculer les contraintes. Cette étape est en général assurée par la FEM. La directive spécifie en revanche comment interpréter et évaluer les résultats de ces calculs.

Pour notre châssis de poids lourd, cela signifie que la répartition locale des contraintes aux zones critiques, par exemple le long des soudures ou au niveau des concentrations de contraintes, est comparée aux contraintes admissibles selon la FKM. Le résultat est un taux d’utilisation qui décrit quantitativement le niveau de sécurité disponible.

Avec Ansys Mechanical : du modèle CAD au modèle FEM

La première étape consiste à transférer la géométrie de conception dans un modèle FEM prêt pour le calcul. Dans Ansys Mechanical, cela commence par l’importation robuste des données CAD du châssis de base, par exemple au format STEP, Parasolid ou dans un format natif.

Le modèle peut ensuite être préparé pour la simulation. Les détails purement graphiques ou les éléments de montage sans influence notable sur la rigidité peuvent être supprimés. Dans le même temps, il faut corriger les zones problématiques comme les fentes, les chevauchements ou les doubles lignes. L’objectif est un modèle géométrique qui représente correctement les mécanismes porteurs essentiels sans être encombré de détails inutiles.

Il est ensuite nécessaire de modéliser les soudures. Quelles soudures doivent être représentées géométriquement ? Où utiliser des modèles simplifiés ? Comment le modèle FEM reflètetil la situation réelle de soudage ? Ces choix dépendent directement du niveau de précision souhaité pour l’évaluation, en particulier pour les vérifications cycliques.

Il ne s’agit pas obligatoirement de représenter la géométrie de la manière la plus exacte possible. Une géométrie scannée ne produit pas des résultats plus fiables du point de vue du calcul de vérification. Il s’agit plutôt de respecter les prescriptions du concept de vérification pour lequel les contraintes admissibles sont définies. Les valeurs admissibles ont été déterminées sur la base de représentations géométriques idéalisées.

L’étape suivante consiste à générer le maillage. Ansys Mechanical permet de créer un maillage global assez grossier mais de bonne qualité, tout en affinant localement les zones critiques. Cela permet de capturer correctement la rigidité globale ainsi que les contraintes locales dans les zones de soudure. Pour les modèles très volumineux, les éléments de coque sont souvent une bonne solution, complétés localement par des éléments volumiques ou par des sousmodèles.

Identifier, affiner et évaluer les soudures critiques

Un premier calcul fournit les champs de contraintes et de déformations pour tous les cas étudiés. À partir de ces résultats, il est possible d’identifier les zones où la sollicitation est particulièrement critique pour la vérification de résistance. Dans les structures en acier soumises à des charges cycliques, les soudures constituent souvent le point de contrôle décisif.

Les zones identifiées sont ensuite préparées de manière ciblée. Cela peut signifier affiner davantage le maillage, créer un sousmodèle pour une soudure particulière ou pour une zone de raccordement, ou encore adapter plus précisément le concept de soudure à la réalité de la fabrication. L’objectif est d’obtenir une résolution des contraintes suffisamment fine pour permettre une évaluation conforme à la FKM.

Workflow intégré au lieu d’une chaîne Excel   

Dans de nombreuses entreprises, les contraintes sont encore calculées dans un outil, relevées à quelques points sélectionnés puis transférées, par exemple dans Excel, pour être traitées dans l’univers des formules FKM. Cela fonctionne pour quelques vérifications ponctuelles, mais la saisie manuelle est source d’erreurs et ne peut être mise à l’échelle que de manière limitée. Cela vaut en particulier pour les grandes structures cadres avec de nombreuses zones potentiellement critiques.

Avec FKM inside Ansys, le matériau de base peut être évalué directement selon la directive FKM. Les caractéristiques matériaux sont adaptées au niveau de la pièce. Les facteurs tels que la taille du composant, la qualité de surface et les gradients de contrainte sont pris en compte, et un taux d’utilisation est déterminé au final. Weld inside Ansys permet en complément une évaluation systématique des soudures sur la base de concepts adaptés.

Ainsi, le processus s’exécute dans un même environnement avec Ansys Mechanical et FKM inside Ansys :

• Construction du modèle, génération du maillage et calcul dans Ansys Mechanical
• Détermination automatique des contraintes pertinentes et des informations sur les gradients
• Évaluation conforme à la FKM dans FKM inside Ansys
• Rapport incluant les valeurs intermédiaires et les résultats finaux en un clic

Pour le châssis de poids lourd, cela signifie que des variantes répétées, par exemple avec des épaisseurs de tôle modifiées, des traverses renforcées ou des points de liaison supplémentaires, peuvent être évaluées de manière nettement plus efficace et cohérente. La construction du modèle n’a pas besoin d’être repensée à chaque fois et l’évaluation n’a plus à être reconstruite manuellement pour chaque cycle.

Vérifications rapides de la résistance – conformes à la FKM et adaptées au quotidien

La vérification de la résistance d’un châssis de base pour une remorque de poids lourd est un cas d’application typique dans lequel une simulation de structures professionnelle peut déployer tout son potentiel. Une préparation robuste de la géométrie et du maillage, des cas de charge définis de manière réaliste, une analyse ciblée des soudures critiques et une évaluation conforme à la FKM sont réunies dans un environnement intégré. Cela conduit à des résultats qui ne sont pas seulement « globalement plausibles », mais qui respectent la directive et sont donc fiables.

Avec Ansys Mechanical, les concepteurs disposent d’un outil de simulation de structures professionnel et pratique, qui va bien audelà d’une estimation ponctuelle. Ils n’ont pas besoin d’être des experts en simulation pour comparer des variantes de manière solide et identifier clairement les marges de sécurité comme les points faibles. Le résultat est une structure de châssis à la fois sûre et économique.

Tester Ansys Mechanical maintenant

Si vous utilisez jusqu’ici des outils FEM intégrés au CAD et que vous atteignez leurs limites pour des tâches comme la vérification de la résistance de structures cadres, c’est exactement le point de départ idéal. Testez Ansys Mechanical et FKM inside Ansys dans le cadre d’un projet pilote.

Sur un composant que vous connaissez déjà, vous verrez très rapidement :

• comment votre châssis peut être maillé et évalué avec précision ;
• comment la stabilité numérique et la qualité des résultats s’améliorent ;
• combien de travail manuel est réellement éliminé dans la préparation du modèle, la vérification et la création du rapport.

La différence entre une estimation intégrée au CAD et un workflow FEM professionnel devient ainsi concrètement mesurable. Planifiez un entretien préliminaire sans engagement.