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SIMULATION Défi : prévoir le comportement des pièces à l'usage

LA SIMULATION INTERVIENT DEPUIS LA DEFINITION DU MATERIAU ET DU PROCEDE DE FABRICATION JUSQU'A LA VALIDATION DES ETAPES DE PRODUCTION.
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A l'inverse de ce qui se passe avec les métaux, considérés comme homogènes et isotropes, la conception des pièces en composite doit impérativement tenir compte de la structure même de la matière. « Le fait de pouvoir créer le matériau nous permet d'en orienter la résistance en fonction des flux d'efforts qui vont traverser la pièce, explique Alan Catteliot, l'ingénieur du chantier naval vannetais Multiplast. Mais cela suppose de bien connaître les efforts qui seront appliqués, tant en intensité qu'en direction.

De même, nous devons être capables d'évaluer les contraintes au sein de la matière pour en vérifier la tenue. La simulation est donc un outil incontournable pour nous». Un avis partagé chez Salomon. «Les outils de calcul nous permettent aujourd'hui de développer un nouveau modèle en six mois aujourd'hui, alors qu'il nous fallait avant un à deux ans et de multiples prototypes physiques», illustre Gilles Silva, concepteur chez le fabricant de skis.

Les principaux éditeurs de logiciels de CAO et de simulation proposent actuellement des modules 'composite' au sein de leur offre. Dans le domaine de la conception, ils ont pour nom Composite Part Design autour de Catia V5 chez Dassault Systèmes, Pro/Composite autour de Pro/Engineer chez PTC ou NX/Composite autour de NX chez UGS. Le processus de conception est pratiquement toujours le même. On part de la surface extérieure de la pièce à réaliser, qui correspond au moule dans lequel sera réalisée la pièce. La première étape est une définition préliminaire des différentes zones de la pièce où, en fonction des efforts estimés, on détermine l'épaisseur du matériau et les grandes lignes de sa constitution (natures du renfort et de la résine, orientation des fibres, etc.). Cette étape permet déjà d'effectuer la validation du prédimensionnement. Lors de l'étape ultérieure de définition détaillée de la pièce, l'ingénieur détermine le nombre de plis en chaque point, leur nature et leur orientation. Puis sont lancés les calculs et des simulations détaillés. Il s'agit par exemple de valider la tenue de la pièce aux efforts estimés et sa résistance à des sollicitations extrêmes comme un choc perpendiculaire à une surface. « Ces outils métiers alimentent aussi les pré-processeurs spécialisés des grands codes de calcul ou pilotent les logiciels d'aide à la fabrication, pour valider chaque pièce avant de la lancer en production », estime Laurent Delsart, chez Dassault Systèmes.

Et de fait tous les éditeurs de grands codes de calcul proposent des pré/post processeurs dédiés aux matériaux composites, voire des logiciels spécifiques. « La simulation du comportement des matériaux composites se démocratise au même rythme que les matériaux eux-mêmes. Au cours des deux dernières années nous avons pu la faire sortir des laboratoires et passer à une véritable phase d'utilisation industrielle », indique Patrick de Lucas, chez ESI Group. Très orientée au départ vers la résistance des structures en composite, l'offre s'oriente maintenant vers des outils répondant à des problématiques plus spécifiques.

C'est par exemple le cas du projet européen Itool (Integrated tool for simulation of textile composites) qui se terminera fin 2007 auquel participe ESI Group aux côtés d'une douzaine d'industriels (Dassault Aviation, EADS) et universités. Il vise à déterminer les caractéristiques mécaniques d'un composite avant de le fabriquer en simulant notamment l'écoulement de la résine à travers les nappes de renfort en fonction du procédé de fabrication. L'objectif n'est pas de supprimer les essais physiques de caractérisation, mais d'orienter les ingénieurs par la simulation vers les matériaux et procédés les mieux adaptés, afin de réduire les cycles de développement.

De même, les pré et post-processeurs dédiés sont importants. « Dans un matériau supposé homogène, les contraintes maximales se situent toujours à la surface de la pièce. Dans le cas des composites elles sont à la surface de chaque couche donc au cÅ“ur du matériau», remarque Christophe Ricci, responsable calcul d'UGS. Selon Jean-Baptiste Mouillet, chez Mécalog, « de tels outils permettent de connaître précisément l'état d'endommagement d'une structure composite après un choc, d'en évaluer le nombre de plis cassés et sa tenue résiduelle, donc de l'optimiser. Ce sont des moyens indispensables car le composite est beaucoup moins tolérant que le métal vis-à-vis des approximations de conception».

Enfin, la modélisation concerne aussi la fabrication elle-même de la pièce en composite. «De vrais outils de FAO comme TruNest ou TruLaser pilotent directement à partir des fichiers Catia les machines de découpe des plis, de drapage des pièces ou guident à l'aide d'un faisceau laser la main qui dépose les plis dans le moule », explique Roger Waldock, directeur de l'éditeur Magestic Technologies. Une approche que l'on retrouve chez les éditeurs français Lectra Systèmes autour du logiciel DesignConcept TechTex ou Cimpa avec Panogen, RTM Supervisor et Tapelay.

La simulation de la cuisson est aussi un point important pour obtenir un modèle aussi exact que possible de la pièce qui sera fabriquée. « Notre code de calcul Marc tire toutes les informations sur les plis de MSC.Patran Laminate Modeler avant d'en simuler la cuisson pour déterminer les contraintes et les déformations résultantes dans la pièce », remarque John klintworth, expert composite de MSC.Software.

Jean-François Préveraud

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