L'analyse par éléments finis (AEF) des intersections de canalisations dans ABAQUS exige un choix judicieux des types d'éléments. Plus précisément, les éléments hexaédriques et les éléments de coque présentent chacun des avantages et des limitations distincts. Cette étude compare donc ces deux approches afin d'aider les ingénieurs à sélectionner le type d'élément le plus adapté pour des simulations précises et efficaces.

Aperçu de l'étude

Pour l'analyse des intersections de canalisations :

• Les éléments solides (hexagonaux) sont préférés pour les analyses géométriquement non linéaires, car ils permettent de prendre en compte les grands déplacements, les rotations et les cisaillements.

• Elles comprennent la rigidité sous contrainte initiale et la rigidité sous charge de surface, permettant une modélisation précise sous charges de pression.

• Lorsque l'on considère des déformations finies, la formulation utilise la contrainte vraie par unité de surface et le taux de déformation intégré comme mesure de la déformation.

Conditions aux limites :

• Matériau : AISI 4130

• Force appliquée : 1000 N

• Contraintes : Des pinces aux deux extrémités ouvertes bloquent les degrés de liberté.

Éléments hexaédriques (C3D8R)

Définition:

• C – Continuum

• 3D – Tridimensionnel

• 8 – Nœuds par élément

• R – Intégration réduite

Sélection globale du type d'élément dans l'application de création de scénarios mécaniques sur la plateforme 3DExperience . (Figure 1)

 Représentation du maillage hexagonal à la jonction des tuyaux. (Figure 2)

Représentation du maillage sur la face du tuyau (Figure 3)

Spécifications de la maille de balayage (Figure 4)

Résultats:

• Déplacement maximal : 5,24 mm

Déplacement avec des éléments C3D8R (Figure 5)

• Distribution des contraintes de Von Mises illustrée dans les figures

Contrainte de von Mises avec éléments C3D8R (Figure 6)

Avantages :

• De plus, les éléments hexagonaux offrent une représentation précise des géométries 3D complexes ; ils excellent notamment dans la modélisation des intersections de tuyaux.
• De plus, ils sont moins sujets au blocage par cisaillement, ce qui améliore la stabilité numérique.
• De plus, un nombre réduit d'éléments est nécessaire pour obtenir des solutions convergentes, ce qui améliore l'efficacité de calcul.

Inconvénients :

• Cependant, les éléments hexagonaux sont plus difficiles à mailler, notamment pour les géométries complexes.
• De plus, elles engendrent un coût de calcul plus élevé en raison du plus grand nombre de nœuds par élément.

Éléments de coque linéaires (S4R)

Définition:

• S – Coquille

• 4 – Nœuds par élément

• R – Intégration réduite

 Sélection globale du type d'élément dans l'application de création de scénarios mécaniques sur la plateforme 3DExperience (Figure 7)

Représentation du maillage de la coque sur la face du tuyau. (Figure 8)

Représentation du maillage hexagonal à la jonction des tuyaux. (Figure 9)

Résultats:

• Déplacement maximal : 4,97 mm

Déplacement avec éléments S4R (Figure 10)

• Distribution des contraintes de Von Mises illustrée dans les figures

Contrainte de Von Mises avec éléments S4R (Figure 11)

Avantages :

• Premièrement, les éléments de coque sont plus faciles à mailler, même pour des géométries complexes.

• De plus, elles sont plus efficaces pour les analyses plus simples, réduisant ainsi le temps de préparation.

Inconvénients :

• Cependant, les éléments de coque sont moins précis aux intersections complexes que les éléments hexagonaux.

• De plus, elles sont plus sujettes au blocage par cisaillement, ce qui peut affecter les résultats.

• De plus, l'obtention d'une précision comparable peut nécessiter des éléments supplémentaires, tels que des cales aux jonctions.

Éléments de coque non linéaires (S8R)

Définition:

• S – Coquille

• 8 – Nœuds par élément

• R – Intégration réduite

Illustre la sélection globale du type d'élément dans l'application Mechanical Scenario Creation sur la plateforme 3DEXPERIENCE . (Figure 12)

Illustre le maillage de la coque sur la face du tuyau. (Figure 13)

Représente le maillage hexagonal à la jonction de l'intersection des tuyaux. (Figure 14)

Résultats:

• Déplacement maximal : 8,41 mm

Déplacement avec éléments S8R (Figure 15)

• Distribution des contraintes de Von Mises illustrée dans les figures

Contrainte de Von Mises avec éléments S8R (Figure 16)

Et le déplacement maximal : 5,25 mm

S4R

On peut noter que la contrainte de Von Mises maximale pour S4R (éléments de coque linéaires) était

et le déplacement maximal : 4,97 mm

On peut noter que la contrainte de Von Mises maximale pour S8R (éléments de coque non linéaires) était

et le déplacement maximal : 8,24 mm 

Conclusion

• Complexité géométrique : pour les intersections simples, les éléments de coque sont suffisants ; pour les intersections ou branches courbes complexes, les éléments hexagonaux offrent une meilleure précision.

• Type d'analyse : L'analyse statique linéaire peut utiliser des éléments de coque ; les analyses non linéaires avec de grandes déformations ou un contact bénéficient d'éléments hexagonaux.

• Expérience en maillage : Les éléments de coque sont plus faciles pour les débutants ; avec de la pratique, les éléments hexagonaux peuvent être maillés efficacement.

Le choix du type d'élément approprié permet d'équilibrer précision, coût de calcul et facilité de maillage. La compréhension des avantages et des limites de chaque élément garantit des résultats fiables pour les simulations d'intersections de canalisations dans ABAQUS.

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Debaditya Chakraborty

Consultant Processus Industriels chez Dassault Systèmes

Consultant en procédés industriels chez Dassault Systèmes, Debaditya est passionné par l'innovation dans les domaines de la dynamique multicorps, de la CAO et de l'analyse par éléments finis (FEA). Il se spécialise dans la conception de mécanismes multi-liaisons à l'aide de méthodes basées sur les données. Il possède une expérience en simulation de fabrication additive métallique, en analyse de structures navales et en automatisation des processus FEA.

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