TP Abaqus Composites [PDF]

Zitiervorschau

Utilisation d’Abaqus 6.7 Mécanique des Matériaux Composites Objectifs : Utiliser l’interface d’Abaqus CAE pour : •

Tracer et mailler une pièce simple

•

Assigner les propriétés des matériaux composites

•

Assigner les angles des différentes couches

•

Appliquer des conditions limites à des pièces

•

Appliquer des chargements à des pièces

•

Analyser les résultats : déformations, contrainte, rupture.

L’utilisation d’Abaqus dans le cadre du cours Mécanique des Matériaux Composites sera faite de la façon suivante. Il ne s’agit pas d’apprendre TOUTES les possibilités de ce logiciel d’éléments finis mais plutôt de voir ses capacités d’analyse au niveau des matériaux composites. L’interface sera d’abord présentée et ensuite des exemples sur des plaques simples en composite seront fait en classe afin de valider que vous comprenez bien l’utilisation de ce logiciel.

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1. Description générale d’utilisation d’Abaqus 1.1 Description de l’interface Barre de titre

Barre des menus

Barre d’outils

Barre de contexte

Accès aux modules

Arbre du modèle

Boites d’outils

Viewport

Boîte de messages

Figure 1. Environnement graphique

Abaqus CAE est divisé en unités fonctionnelles appelées modules (Figure 1). Chaque module est associé à une tâche. Les modules sont accessibles dans la barre de contexte à l’aide de la liste déroulante module. On retrouve les modules suivants : Part Module de création des pièces. Property Module dans lequel on définie les propriétés des matériaux utilisés. Assembly Module dans lequel on rend actif les pièces à analyser. Step Module dans lequel on détermine les caractéristiques de l’analyse et où l’on choisit les paramètres voulus pour les résultats.

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Interaction Module dans lequel on définit les interactions avec l’environnement de la pièce et entre les pièces. Load Module dans lequel on définit les chargements et les conditions limites sur la pièce. Mesh Module dans lequel on définit le maillage pour l’analyse. (dimensions, géométrie, type d’éléments…) Job Module dans lequel on définit les paramètres de calcul de l’analyse. Visualization Module de visualisation des résultats. Sketch Module dans lequel on définit des dessins 2D par-dessus les pièces. 1.2 Utilisation d’Abaqus CAE Dans le cadre du cours de Mécanique des Matériaux Composites, on utilisera seulement certains modules. Vous aurez à utiliser particulièrement les modules : Part, Property, Assembly, Load, Step, Job et Visualization. Les autres modules ne seront pas directement utilisés. Pour accéder à ces modules, il suffit d’utiliser la liste déroulante dans la barre de contexte et la barre d’outils change selon le module utilisé. Au démarrage du logiciel, le module Part est actif. Il est important de noter que dans Abaqus CAE, il n’y a pas d’unités imposées. Il faut donc être cohérent lorsque l’on fixe des valeurs numériques. On utilise habituellement le système m-k-s. Afin de procéder à l’analyse d’un modèle par la méthode des éléments finis, il faut passer à travers les différentes étapes de modélisation. Ces étapes sont présentes dans Abaqus CAE à travers les différents modules présentés à la figure 2. Les différentes étapes de création du modèle 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9.

Création de la géométrie. Attribution des propriétés mécaniques. Assemblage du modèle. Spécification du type d’analyse. Définition des interactions entre les différents éléments constituant le modèle. Définition des cas de charges et des conditions limites. Création du maillage. Choix des variables à calculer et lancement du calcul. Visualisation des résultats.

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Figure 2 : Les modules d'Abaqus CAE

1. Création de la géométrie (Module Part) 1. Sélectionnez parmi les options du menu Create Part (présenté à la Figure 3), le type d’éléments et les dimensions approximatives du modèle. 2. Le modèle est composé de coques déformables obtenues dans le plan 1-2. 3. À l’aide des icônes du menu de gauche (Figure 4), créez des points et dessinez la plaque. 4. À l’aide des icônes du menu de gauche, créez si nécessaire les systèmes de coordonnées (Create Datum CSYS : 3 points) dont vous aurez besoin pour définir l’orientation du matériau

Figure 3 : Menu Create Part

Figure 4 : Icones du module Part

2. Définition des matériaux et attribution des propriétés mécaniques (Module Property) Dans le module Property : 1. Définition du matériau que l’on veut utiliser avec l’icône Create Material (Figure 5). On doit définir les propriétés à l’aide des différents menus : General, Mechanical, Thermal et Other. Pour définir les propriétés élastiques du matériau : MechanicalÆ ElasticityÆ Elastic. On utilise le type Lamina pour définir E1, E2, υ12, G12, G13, G23. On peut définir les caractéristiques de rupture à l’aide du bouton SuboptionsÆFail Stress. Il faut entrer les valeurs à la rupture en tension et en compression pour le matériau et utiliser -0.5 pour le Cross-Prod Term Coeff. La valeur pour Stress Limit doit être laissée vide ou mise à zéro.

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Create Material Create Composite Layup

Figure 5 : Menu Create material

2. Il faut ensuite créer l’empilement de composite. Pour ce faire, on utilise l’icône Create Composite Layup. On définit premièrement le nombre de couches de l’empilement et on utilise Conventional Shell puis continue (Figure 6).

Select Create Orientation des couches Figure 6 Menu Create Composite Layup

3. Après avoir déterminé le nombre de plis du stratifié, on peut créer si nécessaire un système de coordonnées pour définir l’orientation des couches du stratifié. On crée le système de coordonnées avec CSYSÆ Create (Figure 7). On peut utiliser la géométrie de la pièce. On doit ensuite le choisir avec Select.

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Suivre les indications dans la barre de commande

Figure 7 : Création d’un nouveau système de coordonnées

Ensuite, on détermine les propriétés de chacune des couches du stratifié pour chacune des régions du stratifié. Sous l’onglet Plies, on double-clic dans chacune des cases du tableau pour définir la région, le matériau, l’épaisseur et l’angle de chacune des couches. Pour vérifier l’orientation de chacune des couches du stratifié, on peut afficher les systèmes de coordonnées locales sous l’onglet Display. N.B. :Les points d’intégration sont les endroits sur l’élément où les variables élémentaires (déplacement, déformation, contraintes) sont évaluées.

3. Assemblage des composantes du modèle (Module Assembly) Dans le menu Instance Part, choisissez votre pièce.

4. Création de la routine de calcul (Module Step) Ce menu sert à sélectionner le type d’analyse que l’on désire effectuer ainsi que les variables que l’on veut que le logiciel calcule. Est-ce une analyse statique ou dynamique? Veut-on obtenir un aperçu des contraintes et des déformations, ou vérifier un critère de rupture?

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Sélection des variables à calculer 1. Dans le menu Create Step, spécifiez le type d’analyse (statique!!!). 4. Dans le menu Create Field Output, choisissez les variables que vous désirez calculer, soient les déformations, les contraintes, les déplacements et les critères de rupture (E, S, U, CFailure) (Figure 8). 2. . Ces variables seront disponibles dans le module de visualisation. On doit créer deux Field output, un pour l’ensemble du modèle (Whole model) et un autre pour chaque empilement de composite (Composite layup). 3. Spécifiez que vous désirez obtenir les résultats pour tous les points de section. (Il y en a trois par couche). Figure 8 : Menu Field Output

5. Création des conditions limites et du chargement (Module Load) On peut maintenant appliquer les efforts et les conditions sur le modèle en utilisant le module Load. On utilise deux icônes : Create Load et Create Boundary Condition. Dans le module de création des chargements, on doit définir l’étape dans laquelle le chargement sera appliqué, habituellement Step 1. On détermine le type de chargement et on choisit la région ou le point d’application du chargement et finalement l’amplitude selon les directions (Figure 9).

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Create Load Create Boundary Condition

Étape de chargement

Chargement selon chacune des directions

Figure 9 : Menu Create Load

On procède de façon similaire pour les conditions limites de la pièce. On choisit l’étape, la région sur laquelle la condition limite est appliquée et finalement la condition limite appropriée (Figure 10).

Figure 10 : Menu Create Boundary Conditions

6. Création du maillage (Module Mesh) 1. Dans le menu Seed Instance, définissez les dimensions du maillage en partitionnant les arrêtes de la pièce aux dimensions souhaitées. 2. Dans le menu Mesh Control, choisissez le type d’éléments (Assign Element Type) puis attribuez le maillage à la pièce (Mesh Part Instance). 3. Nous utilisons des éléments de coque à 4 nœuds à intégration réduite, des S4R5.

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7. Création de l’analyse (Module Job) On doit créer une analyse dans le module Job. Dans la boîte de dialogue Edit Job, on utilise les paramètres par défaut. On peut soumettre l’analyse et lorsqu’elle est terminée, on peut visualiser les résultats à partir de la boîte Job ManagerÆ Results (Figure 11).

Create Job

Soumettre l’analyse Visualiser les résultats

Figure 11 : Module Job

8. Visualiser les résultats (Module Visualisation) 1. En cliquant sur les différents boutons à gauche de l’écran (reportez vous à la figure 12), vous pouvez visualiser le maillage et la géométrie déformée. 2. Pour faire un graphique des contraintes, cliquez sur Plot Contours. 3. Par défaut, la contrainte de Von Mises est tracée. Pour changer, cliquez sur le bouton Result. En allant dans Field Output, vous pourrez sélectionner les variables à visualiser. 4. Pour obtenir les résultats couches par couches, on utilise le bouton Section Points et ensuite on choisi Plies et on peut ensuite faire afficher les résultats selon les différentes couches. Il est important de savoir que les résultats donnés dans Abaqus sont donnés selon les repères locaux du matériel en question, S11 sera toujours la contrainte dans la direction des fibres, dans une direction différente pour chaque couche.

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Différentes options de visualisation Choix des variables selon les repères locaux

Plot Contours on Deformed Shape Pour avoir accès aux différentes couches

Figure 12 : Module Visualisation

On peut également faire afficher un graphique des variables selon l’épaisseur du stratifié. Pour ce faire, on utilise l’icône Create XY Data dans la barre d’outils du module de visualisation puis Thickness (Figure 13). Dans l’onglet Elements, choisir l’élément d’intérêt sur le modèle et Add Selection et ensuite tracer le graphique avec Plot. Thickness Create XY Data

Ajouter l’élément

Tracer le Graphique

Figure 13 : Menu Create xy Data

On peut également visualiser l’orientation de chacune des couches en utilisant ToolsÆQueryÆPly Stack Plot et choisir la section d’intérêt. On peut également connaître les valeurs précises d’un nœud ou d’un élément particulier (Figure 14).

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ToolsÆQueryÆProbe Values Choisir Elements ou Nodes et sélectionner dans la fenêtre l’élément ou le nœud d’intérêt. Figure 14 : Menu Tools

Conseils supplémentaires pour l’utilisation d’Abaqus CAE pour la visualisation des résultats : On peut obtenir les résultats en utilisant Path pour avoir les valeurs à différents endroits. Tools Æ Path Æ Create Æ Continue Æ Add before et on choisit, en ordre, les nœuds qui nous intéressent (Figure 15).

Figure 15 : Menu Tools : Create Path

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Ensuite, on peut avoir accès aux valeurs à ses nœuds en utilisant Create XY Data Æ Path Æ Continue. On peut alors choisir les différentes options pour la valeur de X et la valeur de Y est un résultat d’une étape d’analyse (Figure 16). Choix du Path

Choix de l’étape d’analyse Choix de la variable d’intérêt Sauvegarder le tableau pour l’exporter dans un fichier Report Tracer le graphique à l’écran

Figure 16 : Sélection des valeurs x et y

Pour exporter les données dans un fichier, après avoir enregistré le tableau XY, on doit créer un rapport. Report Æ XY… On choisit le tableau XY et les options dans l’onglet Setup (Figure 17). Le fichier est créé dans le dossier courant d’Abaqus.

Nom du fichier Ajouter à la suite du fichier existant Options d’affichage

Figure 17 : Exportation des données

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On peut changer le facteur d’échelle lors de l’affichage des résultats en utilisant Option Æ Common Æ Deformation Scale factor dans l’onglet Basic. Différentes options d’affichage sont également disponibles. Pour vérifier s’il y a rupture d’une couche, on vérifie le critère de rupture Tsai-Wu (TSAIW). Result, field output, TSAIW, section point, puis enveloppe. Cette méthode affiche les valeurs maximales de chacune des couches pour tous les points du modèle.

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