Brevet FR2960205A1 — publié le 20111125

Procédé de conception d'un assemblage de pièces mécaniques destiné à être soumis à un test d'impact [0001 L'invention concerne un procédé de conception d'un assemblage de pièces mécaniques destiné à être soumis à un test d'impact. Ce type de test est bien connu dans la littérature anglo-saxonne sous le nom de « crash-test ». Dans l'industrie automobile, ce type de test est rendu obligatoire par la réglementation afin de prouver que, dans des cas d'accidents déterminés, la sécurité des occupants d'un véhicule reste assurée. Les véhicules sont notamment testés au moyen de chocs frontaux. Lors d'un choc, le compartiment moteur peut servir d'absorbeur d'énergie afin de préserver l'habitacle du véhicule. Ce compartiment comprend de nombreux organes dont le groupe motopropulseur. Certains organes sont destinés à se rompre et d'autres peuvent accepter des déformations mais doivent rester sans ruptures. C'est par exemple le cas du groupe motopropulseur. [0002] Les tests d'impact réalisés sur des véhicules sont onéreux et avant de réaliser un tel test sur un véhicule réel, on cherche, lors de la phase de conception du véhicule, à modéliser ses composants, puis simuler un test d'impact sur le modèle. Si le résultat de la simulation montre des ruptures de pièces non désirées, on peut retoucher la conception des pièces incriminées afin d'atteindre un résultat de simulation acceptable. [0003] La modélisation se fait couramment par éléments finis. Il s'agit d'une méthode où l'on découpe une pièce mécanique en éléments discrets de petites tailles. On affecte à chaque élément plusieurs paramètres tels qu'une masse et une raideur. La connectivité entre éléments est définie. La simulation consiste à appliquer au modèle une sollicitation extérieure, la discrétisation permet de déterminer de façon approchée la valeur des contraintes et des déformations dans la pièce mécanique. Le résultat est acceptable pour la pièce si les valeurs ainsi déterminées ne dépassent pas des valeurs admissibles dans la pièce, limite élastique ou limite en rupture, par exemple. [0004] La finesse du découpage de la pièce contribue au réalisme des valeurs de contraintes déterminées lors de la simulation. Néanmoins, plus cette finesse est grande, plus les durées de modélisation et de simulation sont importantes. [0005i Par ailleurs, certains assemblages compliqués, comme par exemple un 5 groupe motopropulseur comprennent de nombreuses pièces en mouvement dont la modélisation complète serait très lourde à réaliser. [0006] Afin de réaliser une simulation de test d'impact, les demandeurs ont réalisé en interne, une modélisation d'un motopropulseur uniquement par sa peau extérieure. Les éléments finis de cette peau sont caractérisés par leur épaisseur de façon à 10 obtenir approximativement la bonne masse du groupe motopropulseur et également la bonne raideur représentée par le module d'Young. La connexion avec des pièces adjacentes est réalisée par des corps rigides. [0007] On a pu constater que la raideur de telles pièces ne représente pas complètement la réalité physique. Avoir une raideur représentative aux interfaces de 15 jonction avec les pièces adjacentes est très important dans le cas où des efforts sont transmis aux composants destinés à se rompre comme par exemple des suspensions du groupe motopropulseur. L'effort de rupture de ces suspensions conditionne le scénario de l'impact. Il est donc de première importance de déterminer avec précision cet effort. 20 [000si L'invention vise à améliorer un procédé de conception d'un assemblage de pièces mécaniques afin d'obtenir une bonne précision dans le résultat d'une simulation de test d'impact tout en réduisant les temps de calcul aussi bien pour la modélisation que pour la simulation. [0009] A cet effet, l'invention a pour objet un procédé de conception d'un 25 assemblage de pièces mécaniques destiné à être soumis à un test d'impact, l'assemblage étant formé de plusieurs sous-ensembles de pièces mécaniques, caractérisé en ce qu'il consiste à enchainer les étapes suivantes : - modélisation par éléments finis des pièces de l'assemblage, - réduction de certains sous-ensembles de pièces de la modélisation sous forme d'un ou plusieurs super-éléments, - simulation du test d'impact sur l'assemblage contenant la réduction, - vérification de la tenue mécanique de chaque sous-ensemble modélisé par un super-élément à partir de sa modélisation par éléments finis. [0010] Avantageusement, après simulation du test d'impact et avant vérification de la tenue mécanique de chaque sous-ensemble modélisé par un super-élément, on réalise une étape de détermination des sollicitations au niveau des interfaces entre les différents super-éléments et les pièces mécaniques environnantes. Les sollicitations regroupent par exemple des efforts et/ou des déplacements et/ou des vitesses et/ou des accélérations. [0011] Durant l'étape de vérification de la tenue mécanique, on peut réaliser un calcul fin des contraintes et des déformations à l'intérieur de chacun des sous ensembles et on compare les contraintes et les déformations calculées à des valeurs de seuil. [0012] Avantageusement, si la tenue mécanique d'au moins un sous-ensemble modélisé par un super-élément n'est pas acceptable, alors on redimensionne le ou les pièces mécaniques du sous-ensemble dont la tenue mécanique n'est pas acceptable. [0013] Après vérification de la tenue mécanique de chaque sous-ensemble modélisé par un super-élément, si un redimensionnement est réalisé pour assurer la tenue mécanique d'un sous-ensemble, on peut déterminer une raideur globale du super-élément avant et après redimensionnement, et si une différence entre les deux raideurs, avant et après redimensionnement excède un seuil donné alors, on enchaine à nouveau les quatre étapes principales de l'invention. [0014] Si une différence entre les deux raideurs, avant et après redimensionnement n'excède pas le seuil donné alors on peut réaliser une vérification de la tenue mécanique du sous-ensemble modifié à partir de sa modélisation par éléments finis avec des conditions aux bords issues du calcul d'impact sans réaliser les étapes précédentes du procédé. [0015] L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages apparaîtront à la lecture de la description détaillée d'un mode de réalisation donné à titre d'exemple, description illustrée par le dessin joint dans lequel : - la figure 1 représente sous forme d'organigramme un exemple de procédé selon l'invention. [0016] La figure 1 représente différentes étapes d'un procédé mettant en oeuvre l'invention. Ce procédé peut être mis en oeuvre pour la conception d'un véhicule automobile dont on souhaite simuler la tenue mécanique à un test d'impact. Le test peut être appliqué au compartiment moteur du véhicule lors d'un choc frontal. Dans ce compartiment, on trouve plusieurs sous ensembles comme par exemple le châssis du véhicule, un groupe motopropulseur, un alterno-démarreur... Lors d'un choc frontal, on peut admettre que ces sous ensembles se désolidarisent les uns des autres mais il est souhaitable que chacun des sous ensemble reste sensiblement intact. Il est bien entendu que l'invention peut être mise en oeuvre pour d'autres sous ensembles destinés à être soumis à un test d'impact. [0017] Une première étape 1 du procédé consiste en une modélisation par éléments finis de différents sous-ensembles du compartiment moteur. Sur la figure 1, cette étape est représentée par exemple par trois cadres 10, 11 et 12 un pour chacun des sous ensembles. Il est bien entendu que l'invention n'est pas limitée à trois sous ensembles. De façon générale cette étape consiste à réaliser un maillage fin de chaque sous ensemble permettant de rechercher une solution approchée d'une équation aux dérivées partielles en tenant compte de conditions aux bords et de sollicitations et dans le sous-ensemble concerné. Appliquée au groupe motopropulseur, cette étape consiste par exemple à réaliser une modélisation par élément finis volumiques du groupe. A chaque élément, une masse et un module d'Young sont affectés. L'étape 1 est par exemple réalisée au moyen d'un progiciel de modélisation comme « ABAQUS standard » développé et diffusé par la société SIMULIA située à Providence, Rhode Island, aux Etats-Unis. [0018] Une deuxième étape 2 du procédé représentée au cadre 13 consiste en une réduction des modélisations réalisées à l'étape 1 sous forme d'un ou plusieurs super-éléments. Un super-élément consiste en une description simplifiée d'un objet, un sous ensemble dans l'exemple présenté, dans laquelle la raideur et la masse de l'objet sont ramenées aux points d'accrochage de l'objet. L'objet possède un comportement élastique linéaire. Les points d'accrochage sont couramment appelés noeuds de jonction ou noeuds maître de l'objet. L'étape 2 est par exemple réalisée au moyen d'un progiciel de calcul scientifique et technique comme « MATLAB » développé et diffusé par la société The MathWorks située à Natick, Massachusetts, aux Etats-Unis. [0019] Une troisième étape 3 du procédé représentée au cadre 14 consiste en une simulation d'un test d'impact sur l'assemblage contenant la réduction réalisée à l'étape 2. L'étape 3 est par exemple réalisée au moyen d'un progiciel de simulation comme « RADIOSS » développé et diffusé par la société Altaïr Engineering située à Troy, Michigan, aux Etats-Unis. [0020] Une quatrième étape 4 du procédé représentée au cadre 15 consiste en une détermination des sollicitations au niveau des interfaces entre les différents sous ensembles et les pièces mécaniques environnantes à partir du résultat de la simulation réalisée à la troisième étape. L'étape 4 est par exemple réalisée au moyen du progiciel « MATLAB ». [0021] Une cinquième étape 5 du procédé consiste en un calcul fin des contraintes et des déformations à l'intérieur de chacun des sous ensembles. Sur la figure 1, cette étape est représentée par exemple par trois cadres 16, 17 et 18, un pour chacun des sous ensembles. Ce calcul reprend la modélisation réalisée lors de l'étape 1 à laquelle on applique les sollicitations relevées lors de la simulation du test d'impact. Il est avantageux d'utiliser les sollicitations relevées au niveau des interfaces, sollicitations déterminées à l'étape 4. L'étape 5 est par exemple réalisée au moyen du progiciel « ABAQUS standard ». [0022] A l'issue du calcul fin, une sixième étape 6 consiste à vérifier la tenue mécanique de chacun des sous ensembles. Cette vérification est représentée sur la figure 1 au moyen de tests 19, 20 et 21 intervenant respectivement après chacun des calculs fins 16, 17 et 18. La vérification est par exemple réalisée en comparant les contraintes et les déformations déterminées lors de l'étape 5 à des valeurs de seuil. Au niveau des contraintes, il peut s'agir de contraintes limites de déformation permanente entrainant une plastification du sous ensemble ou de contraintes limites à la rupture du matériau choisi pour réaliser le sous ensemble concerné. On peut aussi comparer les valeurs trouvées à l'étape 5 à des valeurs minimales. En d'autres termes, si des contraintes sont trop faibles, on peut estimer que la zone où la contrainte est trop faible dans le sous ensemble concerné est surdimensionnée. [0023] Si le résultat de l'étape 6 est acceptable pour tous les sous ensembles, le procédé de l'invention prend fin. Si, par contre, le résultat n'est pas acceptable, on entreprend une septième étape 7 du procédé, représentée au cadre 22 consistant à redimensionner le ou les sous ensembles n'ayant pas subi avec succès le test de l'étape 6. Ce dimensionnement peut être réalisé au moyen d'un progiciel de conception assistée comme par exemple « CATIA » développé et diffusé par la société Dassault Systèmes située à Vélizy-Villacoublay en France. [0024] A l'issue de l'éventuel redimensionnement, une huitième étape 8, représentée sur la figure 1 au moyen d'un test 23, consiste à vérifier l'étendue des modifications apportées lors de l'étape 7. De façon plus précise, on détermine par exemple une raideur globale du sous ensemble concerné représenté par son super-élément avant et après modification de conception. Si une différence entre les deux raideurs, avant et après modification de conception excède un seuil donné, alors on enchaine à nouveau les étapes 1 à 6, et éventuellement les étapes 7 et 8 précédemment décrites. Si au contraire, la différence entre les deux raideurs, n'excède pas le seuil donné alors, on retourne uniquement aux étapes 5 et 6 suivies éventuellement des étapes 7 et 8. REVENDICATIONS1. Procédé de conception d'un assemblage de pièces mécaniques destiné à être soumis à un test d'impact, l'assemblage étant formé de plusieurs sous-ensembles de pièces mécaniques, caractérisé en ce qu'il consiste à enchainer les étapes suivantes : - modélisation par éléments finis des pièces de l'assemblage (1, 10, 11, 12), - réduction de certains sous-ensembles de pièces de la modélisation sous forme d'un ou plusieurs super-éléments (2, 13), - simulation du test d'impact sur l'assemblage contenant la réduction (3, 14), - vérification de la tenue mécanique de chaque sous-ensemble modélisé par un super-élément à partir de sa modélisation par éléments finis (5, 6, 16, 17, 18, 19, 20, 21). 2. Procédé de conception selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'après simulation du test d'impact (3, 14) et avant vérification de la tenue mécanique de chaque sous-ensemble modélisé par un super-élément (5, 6, 16, 17, 18, 19, 20, 21), on réalise une étape de détermination des sollicitations au niveau des interfaces entre les super-éléments et les pièces mécaniques environnantes (4, 15). 3. Procédé de conception selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que durant l'étape de vérification de la tenue mécanique, on réalise un calcul fin des contraintes et des déformations à l'intérieur de chacun des sous ensembles avec des sollicitations relevées à l'étape précédente (5, 16, 17, 18) et on compare les contraintes et les déformations calculées à des valeurs de seuil (6, 19, 20, 21). 4. Procédé de conception selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que si la tenue mécanique d'au moins un sous-ensemble modélisé par un super-élément n'est pas acceptable, alors on redimensionne (7, 22) le ou les piècesmécaniques représentées par le ou les super-éléments dont la tenue mécanique n'est pas acceptable. 5. Procédé de conception selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'après vérification de la tenue mécanique de chaque sous-ensemble modélisé par un super- élément (5, 6, 16, 17, 18, 19, 20, 21), si un redimensionnement (7, 22) est réalisée pour assurer la tenue mécanique d'un sous-ensemble, on détermine une raideur globale du super-élément avant et après redimensionnement (7, 22), et si une différence entre les deux raideurs, avant et après redimensionnement (7, 22) excède un seuil donné alors, on enchaine à nouveau les étapes de la revendication 1 (8, 23). 6. Procédé de conception selon la revendication 5, caractérisé en ce que si une différence entre les deux raideurs, avant et après redimensionnement (7, 22) n'excède pas le seuil donné alors on réalise une vérification de la tenue mécanique de chaque sous-ensemble à partir de sa modélisation par éléments finis (5, 6, 16, 17, 18, 19, 20, 21) sans réaliser les étapes précédentes du procédé.