Lors du développement d'une voiture de course Formula Student, CATIA l'analyse de surface est une étape essentielle avant toute simulation de dynamique des fluides numérique (CFD). Bien que la CFD soit souvent au centre de l'attention, la qualité du modèle CAO influe directement sur la génération du maillage, la stabilité de la simulation et la fiabilité des résultats.

Un modèle peut paraître parfaitement lisse à l'écran, mais même de petits défauts, des transitions de surface imparfaites ou de subtils problèmes de continuité peuvent compliquer le maillage et réduire la précision d'une étude CFD. C'est pourquoi la validation de la géométrie avant la simulation est tout aussi importante que la configuration du solveur lui-même.

Lors de ma deuxième saison au sein du Konrul Racing Team, j'ai eu l'opportunité d'évaluer l'un de nos prototypes de carrosserie en phase finale de développement grâce à la 3DEXPERIENCE . Mon objectif n'était pas simplement de réaliser une simulation CFD ; je souhaitais avant tout comprendre la qualité de la géométrie elle-même.

Dans cet article, je détaillerai le processus que j'ai suivi, depuis CATIA l'analyse de surface jusqu'à la préparation de la géométrie, en passant par l'évaluation de la carrosserie dans SIMULIA CFD. Je partagerai également les méthodes qui ont fonctionné, les difficultés rencontrées et les enseignements tirés.

Les images ci-dessous montrent le prototype de carrosserie Formula Student qui a servi de base à cette étude avant de passer au flux de travail d'analyse de surface.

Figure 1. Vue isométrique du prototype de carrosserie de la Formula Student.

Figure 2. Vue latérale mettant en évidence le profil du nez et les transitions de surface.

Pourquoi l'analyse de surface est importante avant la CFD

Avant de me pencher sur la CFD, je voulais répondre à une question simple : les surfaces de la carrosserie étaient-elles vraiment aussi lisses qu’elles en avaient l’air ?

En parcourant les ressources de formation de Dassault Systèmes, j'ai réalisé que CATIA offre bien plus que de puissants outils de modélisation de surfaces. Il comprend également plusieurs outils d'analyse permettant d'examiner en détail les motifs de réflexion, la continuité et la courbure des surfaces.

Bien que ces analyses ne permettent pas à elles seules de prédire les performances aérodynamiques, elles aident à identifier les problèmes géométriques susceptibles de créer des difficultés ultérieurement lors de la préparation de la géométrie, de la génération du maillage ou de la simulation CFD elle-même.

C’est pourquoi j’ai décidé de valider la carrosserie à l’aide des outils d’analyse de surface de CATIAavant d’importer le modèle dans SIMULIA. L’objectif était d’identifier au plus tôt les zones potentiellement fragiles et de créer un modèle plus propre et plus fiable pour la simulation.

Analyse des zèbres (isophotes) :

Vérification de l'écoulement de surface avant la CFD

Le premier outil que j'ai utilisé pour évaluer la carrosserie a été l'analyse zébrée, également connue sous le nom d'analyse isophotes. Avant de préparer le modèle pour la CFD, je voulais vérifier si les surfaces étaient réellement lisses, non seulement visuellement, mais aussi d'un point de vue géométrique.

L'analyse zébrée considère le modèle comme une surface réfléchissante, affichant des rayures noires et blanches alternées sur la géométrie. Si ces rayures se fondent harmonieusement d'une surface à l'autre, cela indique généralement une bonne continuité. En revanche, des ruptures soudaines, des rétrécissements ou des changements de direction brusques peuvent révéler des zones nécessitant un examen plus approfondi.

Plutôt que de me fier à la vue ombrée standard, j'ai utilisé l'analyse zébrée pour examiner le comportement des reflets sur la carrosserie. Je me suis concentré sur l'identification des transitions où le motif des rayures changeait brusquement, car ces zones pouvaient potentiellement poser des problèmes lors de la préparation de la géométrie ou de la génération du maillage.

J'ai particulièrement apprécié la flexibilité offerte par CATIA . Le logiciel permet d'ajuster la densité, l'épaisseur, la netteté, l'orientation et le mode de projection des rayures, facilitant ainsi l'inspection de surfaces complexes sous différents angles. L'observation d'une même géométrie sous plusieurs angles révèle souvent des imperfections difficiles à repérer sur un écran classique.

Bien que Zebra Analysis ne fournisse pas de données aérodynamiques, il joue un rôle important dans la préparation d'un modèle pour la CFD. Des surfaces plus propres et plus continues permettent généralement d'obtenir une géométrie plus robuste, un maillage plus lisse et moins de problèmes lors de la simulation.

Figure 3. Vue de face de l'analyse Zebra mettant en évidence les transitions du nez et de la partie inférieure du corps.

Figure 4. Vue latérale montrant la continuité des rayures sur les surfaces supérieures, latérales et inférieures de la carrosserie.

Ce que j'ai observé

Globalement, les panneaux latéraux de grande taille présentaient un motif à rayures uniforme, témoignant d'une bonne continuité de surface. En revanche, le capot, ainsi que plusieurs zones de transition entre les parties supérieure, latérale et inférieure de la carrosserie, affichaient des variations plus marquées au niveau des lignes de réflexion.

Toutes les interruptions n'indiquaient pas un problème de modélisation. Certaines modifications étaient prévues car elles reflétaient des choix stylistiques ou des décisions de conception fonctionnelle. Au lieu de considérer chaque irrégularité comme une erreur, j'ai utilisé l'analyse zébrée comme outil de sélection pour identifier les zones nécessitant un examen plus approfondi à l'aide des outils d'analyse de continuité et de courbure de CATIA.

Vérificateur de connexion : Vérification de la continuité de surface

Une fois l'inspection visuelle terminée, je souhaitais valider la géométrie à l'aide de données mesurables. C'est là que Connect Checker est devenu l'étape suivante du processus.

Contrairement à l'analyse zébrée, qui fournit une indication visuelle de la qualité de surface, Connect Checker évalue la continuité réelle entre les surfaces voisines. Il peut mesurer la continuité de position (G0), la tangence (G1) et la continuité de courbure (G2 et G3), ce qui en fait un outil précieux pour identifier les incohérences géométriques avant la simulation numérique des fluides (CFD).

Pour cette évaluation initiale, je me suis principalement concentré sur la continuité G0. Mon objectif était de détecter toute discontinuité non intentionnelle susceptible de poser problème lors de la génération d'un domaine fluide fermé ou de la production d'un maillage de haute qualité.

Sur les 80 connexions de surface analysées, CATIA a enregistré un écart G0 maximal de seulement 0,001 mm, tandis que la plupart des limites ne présentaient aucun écart mesurable à la précision affichée. Ceci indique que la géométrie importée était globalement bien connectée.

À ce stade, je n'ai pas accordé une grande importance aux valeurs globales G1, G2 et G3, car le modèle comportait plusieurs arêtes vives intentionnelles et des transitions de style où la continuité de la tangente ou de la courbure n'était pas attendue. Une évaluation plus pertinente consisterait à isoler les seules limites conçues pour être lisses et à évaluer leur continuité indépendamment. L'outil de vérification de la connectivité a confirmé que la géométrie était adaptée à l'étape suivante du flux de travail, tout en identifiant les zones qui nécessiteraient un examen plus approfondi lors de l'analyse de la courbure.

Figure 5. Vérificateur de connexion évaluant la continuité G0 sur 80 connexions de carrosserie.

Analyse de la courbure du porc-épic : Comprendre comment la courbure change

Après avoir vérifié les liaisons de surface, j'ai voulu examiner de plus près comment la courbure de la carrosserie variait sur le modèle. Pour cela, j'ai utilisé Porcupine Curvature Analysis, un outil qui fournit une représentation visuelle de la courbure à l'aide d'une série de pointes, souvent appelées peigne de courbure.

La longueur et l'orientation de ces pointes facilitent le repérage des changements brusques de courbure, des transitions irrégulières et des points d'inflexion potentiels qui pourraient ne pas être évidents dans une vue ombrée. L'analyse en forme de porc-épic s'avère ainsi particulièrement utile pour évaluer la qualité des surfaces complexes de forme libre.

Pour ma première évaluation, j'ai sélectionné l'ensemble de la carrosserie importée afin d'obtenir une vue d'ensemble du modèle. Comme prévu, le résultat était assez dense. La courbure du peigne étant affichée simultanément le long de nombreuses surfaces, les zones autour du nez et du bas de la carrosserie étaient encombrées, rendant l'interprétation détaillée plus difficile.

Malgré tout, cet aperçu initial s'est avéré précieux. Il a rapidement mis en évidence les régions qui méritaient une analyse plus approfondie lors de la prochaine étape du processus.

Figure 6. Analyse initiale de la courbure du porc-épic de la géométrie de la carrosserie.

Ce que j'ai appris

Visualiser l'ensemble du modèle d'un seul coup s'avérait utile pour identifier les zones problématiques potentielles, mais n'était pas la meilleure approche pour une analyse détaillée. Le grand nombre de peignes de courbure se chevauchaient souvent, rendant difficile la distinction entre les changements de courbure réels et les interférences visuelles.

Si je devais refaire cette étude, j'analyserais individuellement des sections plus petites, en me concentrant sur des limites ou des courbes de plan de coupe spécifiques. Réduire la densité du peigne faciliterait également l'interprétation et la comparaison des variations de courbure subtiles.

Bien que l'analyse Porcupine ne fournisse pas de résultats aérodynamiques, elle offre un aperçu précieux du comportement géométrique d'une surface avant de passer à la CFD.

Analyse de la courbure superficielle : Visualisation de la courbure sur l'ensemble du corps

Une fois les vérifications de continuité et de courbure des limites effectuées, l'étape suivante consistait à examiner comment la courbure était répartie sur l'ensemble de la carrosserie.

Contrairement à l'analyse Porcupine, qui se concentre sur les courbes et les contours, l'analyse de la courbure de surface évalue la surface complète et affiche la courbure sous forme de carte colorée. Cela facilite grandement l'identification des zones où la courbure varie progressivement, par opposition aux zones présentant un comportement géométrique plus complexe.

Pour cette étude, j'ai choisi l' gaussienne à racine carrée . Cette visualisation a fourni une vue d'ensemble claire de la distribution globale de la courbure du corps et m'a permis de comparer plus efficacement différentes régions de la conception.

Les panneaux latéraux et les surfaces supérieures, plus larges, présentaient des motifs de couleurs uniformes et étendus, suggérant des transitions de courbes relativement douces. En revanche, autour du nez, de la partie inférieure avant et de plusieurs surfaces de transition plus petites, la répartition des couleurs devenait nettement plus complexe.

Il est important de noter que ces variations n'indiquaient pas automatiquement une géométrie défectueuse. Nombre d'entre elles étaient prévisibles en raison de caractéristiques de conception intentionnelles, de rayons de courbure serrés ou de transitions stylistiques abruptes. L'analyse a plutôt permis d'identifier les zones qui nécessitaient un examen plus approfondi avant la simulation numérique.

Figure 7. Vue de face de l'analyse de la courbure superficielle.

Figure 8. Vue isométrique montrant la répartition de la courbure sur la carrosserie.

Observation clé

L'une des découvertes les plus intéressantes a été la nette différence entre les grands panneaux de carrosserie et la région du nez. Alors que la majeure partie de la carrosserie présentait une courbure relativement uniforme, le nez affichait une variation beaucoup plus importante, confirmant les observations déjà faites lors des analyses du zèbre et du porc-épic.

Bien qu'il ne s'agisse pas d'une étude aérodynamique, elle m'a permis de mieux cibler mes efforts lors de la phase de simulation numérique. Plutôt que de considérer chaque variation géométrique comme un défaut, ces analyses ont aidé à prioriser les régions les plus susceptibles d'influencer la simulation.

De l'analyse de surface à la simulation CFD SIMULIA : pourquoi le nez méritait plus d'attention

Après avoir effectué les analyses de surface, une chose est devenue claire : le nez apparaissait systématiquement comme la zone la plus critique de la carrosserie.

Chaque analyse (Zebra, Connect Checker, Porcupine et Courbure de surface) a mis en évidence des modifications géométriques notables à l'avant du véhicule. Certaines de ces transitions étaient intentionnelles et nécessaires pour obtenir la forme souhaitée, mais l'analyse de surface seule ne permettait pas de déterminer si elles auraient un impact positif ou négatif sur les performances aérodynamiques.

C’est là que SIMULIA CFD est devenu l’étape suivante.

Le nez est la première partie importante de la carrosserie à interagir avec le flux d'air entrant. Lorsque l'air atteint cette zone, il commence à ralentir, s'accélère autour du véhicule et établit la répartition de pression qui influence le reste de la carrosserie. Même des modifications géométriques relativement mineures peuvent affecter la pression d'arrêt, l'accélération du flux, la récupération de pression et, dans certains cas, la probabilité de décollement de la couche limite.

Pour une voiture de Formule Étudiant, c'est d'autant plus important que le nez n'agit pas isolément. Il influence directement le flux d'air atteignant l'aileron avant et les éléments aérodynamiques situés en aval. Une surface visuellement lisse n'est pas forcément aérodynamiquement efficace.

Les analyses de surface m'ont permis de cibler les points à examiner. L'objectif suivant consistait à déterminer si ces caractéristiques géométriques influençaient réellement l'écoulement de l'air, en évaluant la carrosserie à l'aide du SIMULIA CFD.

Figure 9 – Réparation de la géométrie importée avant CFD.

Conclusion

Cette première étape m'a montré que la préparation d'un modèle pour la CFD implique bien plus que la simple création d'un dessin CAO esthétique. L'utilisation des outils d'analyse de surface de CATIAm'a permis de mieux comprendre la géométrie, d'identifier les zones nécessitant une attention particulière et de gagner en confiance avant de passer à la simulation.

Dans le prochain article, je poursuivrai le processus en important ce modèle dans SIMULIA Fluid Dynamics Engineer, où j'aborderai la configuration CFD, la génération du maillage et partagerai les premiers résultats aérodynamiques.

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Abdulkadir Gunumdogdu

Ingénieur en dynamique des véhicules, analyse structurelle, conception aérodynamique et CFD chez Konrul Racing

Étudiant en génie mécanique et membre de l'équipe Konrul Racing, spécialisé en conception de châssis, CFD, analyse structurelle et dynamique des véhicules. Maîtrise de CATIA, 3DEXPERIENCEet ANSYS pour le développement de programmes Formula Student et de drones. Passionné par l'ingénierie du sport automobile et la conception assistée par simulation.

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