Brevet FR2928474A1 — publié le 20090911

PROCEDE D'AJUSTEMENT DES DIMENSIONS D'UN MODELE TRIDIMENSIONNEL D'UNE PIECE, NOTAMMENT UNE CULASSE, ET SUPPORT DE DONNEES POUR LA MISE EN OEUVRE D'UN TEL PROCEDE [0001] La présente invention concerne un procédé d'ajustement des dimensions d'un modèle tridimensionnel d'une pièce, notamment une pièce entrant dans la fabrication d'un moteur, destinée à être soumise à des contraintes thermomécaniques prédéterminées définissables sous formes de conditions aux limites applicables audit modèle. Elle concerne également l'application d'un tel procédé à une culasse et un support de données lisibles par ordinateur pour la mise en oeuvre de ce procédé. [0002 Plus précisément, l'invention concerne un procédé comprenant une étape de calcul par éléments finis d'un effet thermomécanique des conditions aux limites sur le modèle tridimensionnel. [0003] Une application particulière de l'invention concerne l'ajustement des dimensions d'un modèle tridimensionnel de culasse d'un moteur par exemple de véhicule automobile, notamment une culasse Diesel, dont une face, appelée � face flamme �, comportant des conduits d'admission d'air, d'échappement de gaz, d'injecteur et de bougie, est susceptible d'être soumise à des contraintes thermomécaniques fortes pouvant générer des fissures par fatigue oligocyclique dont le risque dépend du dimensionnement de la culasse. [0004] De façon connue, le modèle tridimensionnel de la pièce est généralement fourni à l'aide d'un outil de Conception Assistée par Ordinateur (CAO), avec un ajustement préalable, par un ingénieur spécialiste de la CAO. Ce modèle est ensuite transmis à un ingénieur spécialiste de la simulation qui réalise une étude des effets des contraintes thermomécaniques à l'aide d'un logiciel de calcul par éléments finis appliqué au modèle tridimensionnel fourni. [0005] Pour réaliser cette étude en utilisant un calcul par éléments finis, il est nécessaire au préalable de définir un maillage du modèle tridimensionnel et d'appliquer les contraintes thermomécaniques sous forme de conditions aux limites imposées au modèle tridimensionnel. Suite à l'étude, l'ingénieur spécialiste de la simulation est généralement amené à vouloir modifier le dimensionnement de certains éléments de la pièce pour envisager de nouveau une étude des effets des contraintes thermomécaniques sur un modèle tridimensionnel réajusté. [0006] Cela pose plusieurs problèmes. Notamment, le modèle tridimensionnel ne peut pas être ajusté ou réajusté par l'ingénieur spécialiste de la simulation qui ne maîtrise pas l'outil de CAO. Cela signifie que, si l'ajustement des dimensions du modèle tridimensionnel de la pièce nécessite plusieurs études successives par simulation et réajustements par CAO, des allers-retours entre l'ingénieur spécialiste de la CAO et l'ingénieur spécialiste de la simulation sont nécessaires et générateurs de délais fréquemment supérieurs à une journée. En outre, une étape préalable de � mise en données � est nécessaire pour réaliser le calcul par éléments finis. Cette étape de mise en données comporte le maillage du modèle tridimensionnel et l'application des contraintes thermomécaniques sous forme de conditions aux limites. Le maillage, ses paramètres et les conditions aux limites doivent être adaptés localement à plusieurs zones du modèle tridimensionnel, ce qui, pour l'ingénieur spécialiste de la simulation, est souvent fastidieux. [0007] Il peut ainsi être souhaité de prévoir un dispositif et/ou un procédé d'ajustement des dimensions d'un modèle tridimensionnel d'une pièce de véhicule automobile qui permette de s'affranchir au moins en partie des problèmes et contraintes précités. [0008] L'invention a donc pour objet un procédé d'ajustement des dimensions d'un modèle tridimensionnel d'une pièce destinée à être soumise à des contraintes thermomécaniques prédéterminées définissables sous formes de conditions aux limites applicables au modèle, comprenant une étape de calcul par éléments finis d'un effet thermomécanique des conditions aux limites sur le modèle, caractérisé en ce qu'il comprend en outre les étapes suivantes : - définition, dans le modèle, d'une pluralité de zones de prétraitement, chacune étant associée à au moins un paramètre de dimensionnement et au moins un paramètre de conditions aux limites, -ajustement des dimensions du modèle au moins par association d'une valeur à chaque paramètre de dimensionnement de chaque zone de prétraitement du modèle tridimensionnel, - application des conditions aux limites par association d'une valeur à chaque paramètre de conditions aux limites de chaque zone de prétraitement du modèle tridimensionnel. [0009] Ainsi, en définissant plusieurs zones de prétraitement spécifiques, associées à leurs propres paramètres de dimensionnement et de conditions aux limites, et en prévoyant d'associer ces paramètres à des valeurs, il devient simple d'appliquer les conditions aux limites et d'ajuster ou réajuster le dimensionnement du modèle tridimensionnel, en agissant uniquement sur des valeurs de ces paramètres qui eux sont associés aux zones de prétraitement. [ooio] De façon optionnelle, on associe des paramètres de dimensionnement supplémentaires au modèle tridimensionnel, indépendamment des zones de prétraitement, et dans lequel on ajuste les dimensions du modèle tridimensionnel en outre par affectation d'une valeur à chaque paramètre de dimensionnement supplémentaire. [0011] De façon optionnelle, chaque zone de prétraitement est en outre associée à au moins un paramètre de maillage du modèle tridimensionnel en vue d'effectuer le calcul par éléments finis. [0012] De façon optionnelle, un procédé selon l'invention peut comporter une étape de création de spécifications d'un maillage au modèle tridimensionnel par affectation d'une valeur à chaque paramètre de maillage de chaque zone de prétraitement du modèle tridimensionnel. [0013] De façon optionnelle, un procédé selon l'invention peut comporter, suite à l'étape de calcul par éléments finis, les étapes suivantes : fourniture d'un résultat du calcul par éléments finis, en fonction de ce résultat, réajustement des dimensions du modèle tridimensionnel par affectation d'une nouvelle valeur à au moins une partie des paramètres de dimensionnement, retour à l'étape de calcul par éléments finis. [0014] De façon optionnelle, on définit, dans le modèle tridimensionnel, plusieurs régions de précisions différentes dont au moins : une région de modélisation précise de la pièce comportant les zones de prétraitement, et - une région de modélisation simplifiée de la pièce ne comportant aucune zone de prétraitement. [0015] De façon optionnelle, la région de modélisation simplifiée comporte une géométrie simplifiée par rapport à la géométrie d'une région correspondante de la pièce. [0016] L'invention s'applique tout particulièrement à la modélisation de pour moteurs, notamment pour les moteurs de véhicules automobiles. [0017] L'invention concerne également une application d'un procédé tel que décrit précédemment à un modèle tridimensionnel d'une culasse, notamment une culasse Diesel, d'un moteur de véhicule automobile. [0018] L'invention concerne également une application d'un procédé tel que décrit précédemment à un modèle tridimensionnel d'une culasse, notamment une culasse Diesel, d'un moteur de véhicule automobile, pour l'étude de l'effet des contraintes thermomécaniques prédéterminées sur une face flamme de cette culasse, dans laquelle la région de modélisation précise est définie dans un voisinage prédéterminé de la face flamme. [0019] Enfin, l'invention concerne également un support de données lisibles par un ordinateur, caractérisé en ce qu'il comprend des instructions de code de programme pour la mise en oeuvre d'un procédé d'ajustement des dimensions d'un modèle tridimensionnel d'une pièce de véhicule automobile tel que décrit précédemment. [0020] L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple et faite en se référant aux dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 représente la structure générale d'un modèle tridimensionnel simplifié de culasse Diesel de moteur de véhicule automobile, pour la mise en oeuvre d'un procédé selon l'invention, - la figure 2 illustre les étapes successives d'un procédé d'ajustement des dimensions du modèle tridimensionnel de la figure 1, conformément à un mode de réalisation de l'invention. [0021] Le modèle tridimensionnel de culasse 10 représenté sur la figure 1 correspond à une culasse adaptée pour un moteur Diesel de véhicule automobile. Cette culasse est prise à titre d'exemple illustratif uniquement, sans pour autant restreindre la portée de l'invention à ce type de pièce. [0022] La culasse modélisée 10 est destinée à être assemblée à un bloc-cylindres (non représenté) du moteur à l'aide de vis 12, de manière à maintenir en contact une face extérieure 14 d'une tablature 16 de la culasse avec le bloc-cylindres. On notera que la culasse est un élément de la partie supérieure du moteur, positionné au dessus du bloc-cylindres, de sorte que la face extérieure 14 de la tablature 16 est en fait une face inférieure de la culasse : le modèle tridimensionnel 10 représenté ici est inversé, sa partie supérieure correspondant à la partie inférieure de la culasse, pour permettre de mieux visualiser la face inférieure 14 et ses éléments. [0023] Dans cette face extérieure 14, il est ainsi possible de définir une zone circulaire centrale 18, appelée � face flamme � et destinée à être soumise à des contraintes thermomécaniques en cours de fonctionnement normal du moteur, lorsque la culasse est assemblée au bloc-cylindres. [0024] La face flamme 18 contient elle-même : au moins une ouverture 20 de conduit d'admission d'air à soupape, au moins une ouverture 22 de conduit d'échappement de gaz de combustion à soupape, une ouverture 24 de conduit pour injecteur, et une ouverture 26 de conduit pour bougie. [0025] La partie 28 de la face flamme 18 située entre les deux ouvertures 20 et 22, formant un pontet inter soupapes, présente une sensibilité particulière aux contraintes thermomécaniques. Dans cette partie 28 risquent de se former des fissures par fatigue oligocyclique de la face flamme 18. [0026] Dans un mode de réalisation de l'invention, le modèle tridimensionnel 10 est simplifié par rapport à la culasse qu'il représente. En effet, en vue de simplifier les calculs de simulation par éléments finis, ceux-ci visant principalement à évaluer le risque de fissures oligocycliques de la face flamme 18 dans l'exemple cité ici, le modèle tridimensionnel 10 présente plusieurs régions de précisions différentes dont au moins : une région R1 de modélisation précise de la culasse dans un voisinage de la face flamme 18, dite partie basse de la culasse, et - une région R2 de modélisation simplifiée de la culasse au delà d'une certaine distance du plan de la tablature 16, par exemple au delà de trois centimètres, dite partie haute de la culasse. [0027] D'une façon générale, on associe des paramètres de dimensionnement au modèle tridimensionnel et à ses éléments, parmi lesquels : - une largeur et une longueur de la tablature 16, un diamètre de la face flamme 18 et une largeur de sa sertissure - une position angulaire des conduits (alignement des conduits par rapport à l'axe du vilebrequin du moteur), - un diamètre intérieur de l'ouverture du conduit d'injecteur, - la présence ou non d'un chanfrein en face extérieure 14 de tablature 16, pour chaque conduit, - l'activation ou la désactivation d'un conduit parmi un ensemble de conduits prévus par défaut, selon le nombre de conduits voulu, - etc. [0028] Certains de ces paramètres sont à associer avec des valeurs quantitatives, comme la largeur et la longueur de la tablature, le diamètre de la face flamme, la position angulaire des conduits ou le diamètre intérieur de l'ouverture du conduit d'injecteur. D'autres sont à associer avec des valeurs booléennes comme la présence ou non de chanfrein, et l'activation ou la désactivation d'un conduit. On peut par exemple prévoir plus d'une centaine de paramètres de dimensionnement pour définir la géométrie générale d'une culasse pouvant comporter jusqu'à cinq conduits à soupape. [0029] Ainsi, l'ingénieur spécialiste de la simulation peut influer sur le modèle tridimensionnel paramétré fourni en attribuant lui-même des valeurs à chacun des paramètres de dimensionnement précités. [0030] La région R2 de modélisation simplifiée du modèle tridimensionnel 10 comporte une géométrie simplifiée par rapport à la géométrie d'une région correspondante de la culasse. En d'autres termes, la géométrie de cette région R2 est définie par un nombre restreint de paramètres de dimensionnement qui ne permettent pas de reproduire la forme exacte de la région correspondante de la culasse modélisée. Il a en effet été remarqué que la simplification, dans une certaine mesure, d'une région située loin de la partie à étudier par simulation, ici la face flamme 18, n'a pas nécessairement d'impact sur le résultat des calculs, dans la limite de la marge d'erreur acceptée. En revanche, cela simplifie très sensiblement les calculs. [0031] On définit ensuite, dans le modèle tridimensionnel 10 paramétré, une pluralité de zones de prétraitement. A chaque zone de prétraitement est affecté au moins un paramètre de conditions aux limites représentatif d'une contrainte thermique, mécanique ou thermomécanique subie de façon homogène par cette zone de prétraitement. Ces paramètres de conditions aux limites sont définis pour permettre d'effectuer la mise en données complète nécessaire comme étape préalable au calcul par éléments finis. Par ailleurs chaque zone de prétraitement peut être associée à au moins un paramètre de dimensionnement parmi ceux précités précédemment, de sorte que ces zones de prétraitement peuvent être automatiquement ajoutées au modèle tridimensionnel 10, ou modifiées géométriquement, par simple attribution de valeurs aux paramètres de dimensionnement qui leur sont associés. De façon optionnelle, chaque zone de prétraitement peut en outre être associée à au moins un paramètre de maillage du modèle tridimensionnel en vue d'effectuer le calcul par éléments finis. [0032] On notera que cette paramétrisation, de dimensionnement d'une part et de conditions aux limites et de maillage d'autre part, associée qualitativement à chaque zone de prétraitement, comporte les avantages suivants : - le modèle tridimensionnel peut être ajusté ou réajusté par l'ingénieur spécialiste de la simulation même s'il ne maîtrise pas l'outil de CAO, puisqu'il lui suffit de donner des valeurs aux paramètres de dimensionnement pour que le modèle tridimensionnel paramétré soit modifié en conséquence, - l'application des conditions aux limites peut être réalisée indépendamment de la géométrie du modèle tridimensionnel, et donc automatiquement, puisqu'elle se fait qualitativement sur les zones de prétraitement et s'adapte donc aux dimensions de ces zones, - de même, l'application du maillage peut être réalisée automatiquement puisqu'elle se fait aussi qualitativement sur les zones de prétraitement. [0033] En fait, avantageusement, une zone de prétraitement est une zone géométrique du modèle tridimensionnel dans laquelle il est possible de définir de façon homogène une valeur unique pour chaque paramètre de conditions aux limites et de maillage associé à cette zone. [0034] On notera que, si chaque zone de prétraitement est avantageusement associée à au moins un paramètre de dimensionnement du modèle tridimensionnel 10, de manière à pouvoir être ajoutée automatiquement sur le modèle tridimensionnel, réciproquement, des paramètres de dimensionnement du modèle tridimensionnel peuvent n'être associés à aucune zone de prétraitement. Ils seront alors qualifiés dans la suite de la description de paramètres de dimensionnement supplémentaires. [0035] Une première zone de prétraitement est par exemple une zone de contact entre la tablature 16 de la culasse et le bloc-cylindres : ses dimensions peuvent correspondre aux dimensions de la face flamme 18 précitée de telle sorte que cette face flamme 18 telle que représentée sur la figure 1 peut être assimilée à une zone de prétraitement. [0036] Une autre zone de prétraitement est par exemple une zone de chargement thermique de la face flamme 18 : ses dimensions peuvent être spécifiques et/ou dépendre de celles de la face flamme. [0037] Une autre zone de prétraitement est par exemple une zone de sertissure sur laquelle sera modélisé un bourrelet représentatif de celui présent sur un joint de culasse : ses dimensions dépendent de l'alésage du moteur et de la sertissure associée. Dans ce cas, la zone de prétraitement est une partie de l'élément auquel elle se réfère. [0038] Une autre zone de prétraitement est par exemple une zone d'échanges convectifs entre la culasse et de l'eau située dans la partie basse d'un noyau d'eau. [0039] Une quantité d'autres zones de prétraitement peuvent être définies, de manière à prendre en compte l'ensemble des conditions aux limites représentatives des contraintes thermomécaniques susceptibles d'être subies par la pièce, ici une culasse Diesel, représentée par le modèle tridimensionnel 10. [0040] Le calcul par éléments finis effectué sur le modèle tridimensionnel 10 peut se décomposer en plusieurs calculs par éléments finis non linéaires à réaliser, tels que : un calcul thermique stationnaire, un calcul thermique transitoire, - un calcul de tenue thermomécanique. [0041] Pour chacun de ces calculs, on rappelle que les données relatives aux chargements thermiques et mécaniques, ainsi que les propriétés des matériaux de la pièce représentée par le modèle tridimensionnel 10 sont définies par les valeurs qui sont affectées aux paramètres de dimensionnement et/ou de conditions aux limites précités et associés aux zones de prétraitement. [0042] Par exemple, chaque condition aux limites est représentée par un paramètre associé à une unique zone de prétraitement. On peut ainsi définir un paramètre de flux thermique sur la zone de chargement thermique de la face flamme 18 de la culasse, pour modéliser le flux thermique reçu par cette face flamme. On peut aussi définir par exemple un coefficient d'échange et une température de paroi sur la zone d'échanges convectifs précitée. [0043] Un procédé d'ajustement des dimensions du modèle tridimensionnel 10 va maintenant être détaillé en référence à la figure 2. [0044] Lors d'une première étape 100, le modèle tridimensionnel 10 est géométriquement complètement défini par affectation d'une valeur à chacun des paramètres de dimensionnement prédéfinis. Cette étape peut être réalisée de deux façons différentes : soit manuellement par l'ingénieur spécialiste de la simulation, paramètre par paramètre et à l'aide d'une interface homme-machine dédiée ; soit automatiquement depuis un fichier de données prédéterminé dans lequel toutes les valeurs sont définies. [0045] Lors d'une étape suivante 102, les zones de prétraitement sont automatiquement ajoutées au modèle tridimensionnel 10, grâce aux paramètres de dimensionnement définis à l'étape précédente. [0046] Ensuite, on réalise une étape de mise en données du modèle tridimensionnel, en vue de réaliser un calcul par éléments finis. Cette étape de mise en données se décompose en deux étapes 104 et 106 de maillage du modèle tridimensionnel 10 et d'application des conditions aux limites, respectivement. On notera que l'ordre dans lequel ces deux étapes sont réalisées est important. [0047] Lors de l'étape de maillage 104, des valeurs sont données aux paramètres de maillage. De même que lors de l'étape 100, ces valeurs peuvent être prédéfinies dans un fichier de données prédéterminé. Elles sont indépendantes des dimensions du modèle tridimensionnel puisqu'elles sont associées qualitativement à chaque zone de prétraitement indépendamment de ses paramètres de dimensionnement. [0048] Lors de l'étape 106 d'application des conditions aux limites, des valeurs sont données aux paramètres de conditions aux limites. De même, ces valeurs peuvent être prédéfinies dans un fichier de données prédéterminé. Elles sont également indépendantes des dimensions du modèle tridimensionnel puisqu'elles sont associées qualitativement à chaque zone de prétraitement indépendamment de ses paramètres de dimensionnement. [0049] Suite aux étapes 104 et 106, on passe à une étape de simulation de l'effet des contraintes thermomécaniques sur la culasse par exécution d'une étape 108 de réalisation du calcul par éléments finis sur le modèle tridimensionnel 10. [0050] Lors d'une étape 110 suivante, un résultat de ce calcul est fourni et analysé par l'ingénieur spécialiste de la simulation. [0051] Si le résultat donne satisfaction, c'est-à-dire si les dimensions du modèle tridimensionnel sont satisfaisantes pour réagir aux contraintes thermomécaniques enregistrées, on passe à une dernière étape 114 de fin de procédé. [0052] Sinon, lors d'une étape 112, l'ingénieur spécialiste de la simulation réajuste les dimensions du modèle tridimensionnel par association d'une nouvelle valeur à au moins une partie des paramètres de dimensionnement, y compris les paramètres de dimensionnement supplémentaires précités. Suite à cette étape, on retourne à l'étape 104 pour une nouvelle mise en données automatique prenant en compte les nouvelles dimensions, afin de réaliser un nouveau calcul par éléments finis. [0053] Il apparaît clairement que le procédé décrit précédemment permet d'ajuster les dimensions d'une pièce modélisée et de réaliser une simulation à l'aide d'un calcul par éléments finis, de façon simple et rapide. Un même spécialiste de la simulation peut suivre et engager chacune des étapes, notamment par exemple sur une même plate- forme logicielle. REVENDICATIONS 1. Procédé d'ajustement des dimensions d'un modèle tridimensionnel (10) d'une pièce destinée à être soumise à des contraintes thermomécaniques prédéterminées définissables sous formes de conditions aux limites applicables au modèle (10), comprenant une étape (108) de calcul par éléments finis d'un effet thermomécanique des conditions aux limites, caractérisé en ce qu'il comprend en outre les étapes suivantes : -définition (102) d'une pluralité de zones de prétraitement, chacune étant associée à au moins un paramètre de dimensionnement et au moins un paramètre de conditions aux limites, - ajustement (100, 112) des dimensions du modèle (10) au moins par affectation d'une valeur à chaque paramètre de dimensionnement de chaque zone de prétraitement du modèle, -application (106) des conditions aux limites par affectation d'une valeur à chaque paramètre de conditions aux limites de chaque zone de prétraitement du modèle. 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel on associe des paramètres de dimensionnement supplémentaires au modèle tridimensionnel, indépendamment des zones de prétraitement, et dans lequel on ajuste (100, 112) les dimensions du modèle tridimensionnel en outre par affectation d'une valeur à chaque paramètre de dimensionnement supplémentaire. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, dans lequel chaque zone de prétraitement est en outre associée à au moins un paramètre de maillage du modèle tridimensionnel en vue d'effectuer le calcul par éléments finis (108). 4. Procédé selon la revendication 3, comportant une étape (104) d'application d'un maillage au modèle tridimensionnel (10) par affectation d'une valeur à chaque paramètre de maillage de chaque zone de prétraitement du modèle tridimensionnel. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, comprenant, suite à l'étape (108) de calcul par éléments finis, les étapes suivantes : fourniture (110) d'un résultat du calcul par éléments finis, en fonction de ce résultat, réajustement (112) des dimensions du modèle tridimensionnel (10) par affectation d'une nouvelle valeur à au moins une partie des paramètres de dimensionnement,retour à l'étape (108) de calcul par éléments finis. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel on définit, dans le modèle tridimensionnel (10), plusieurs régions de précisions différentes dont au moins : - une région (R1) de modélisation précise de la pièce comportant des zones de prétraitement, et - une région (R2) de modélisation simplifiée de la pièce comportant d'autres zone de prétraitement. 7. Procédé selon la revendication 6, dans lequel la région (R2) de modélisation simplifiée comporte une géométrie simplifiée par rapport à la géométrie d'une région correspondante de la pièce. 8. Application d'un procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7 à un modèle tridimensionnel (10) d'une culasse, notamment une culasse Diesel, d'un moteur de véhicule automobile. 9. Application d'un procédé selon la revendication 6 ou 7 à un modèle tridimensionnel (10) d'une culasse, notamment une culasse Diesel, d'un moteur de véhicule automobile, pour l'étude de l'effet des contraintes thermomécaniques prédéterminées sur une face flamme (18) de cette culasse, dans laquelle la région (R1) de modélisation précise est définie dans un voisinage prédéterminé de la face flamme. 10. Support de données lisibles par un ordinateur, caractérisé en ce qu'il comprend des instructions de code de programme pour la mise en oeuvre d'un procédé d'ajustement des dimensions d'un modèle tridimensionnel (10) d'une pièce de véhicule automobile selon l'une quelconque des revendications 1 à 7.