Comment GRYB a réduit ses coûts de prototypage avec SOLIDWORKS Simulation

En bref : qu’est-ce que SOLIDWORKS Simulation a changé pour GRYB?

Qui est GRYB?

Avant d’adopter la simulation, GRYB avait de la difficulté à déterminer précisément où les contraintes réelles se concentreraient dans un produit. Cette incertitude influençait plusieurs décisions de conception :

• Où faut-il renforcer le matériau?

• Quelle nuance d’acier faut-il utiliser dans chaque zone?

• Quelle devrait être l’épaisseur de chaque composant?

• Quelle géométrie offre le meilleur équilibre entre résistance et poids?

• La conception se comportera-t-elle comme prévu dans les cas de charge visés?

Sans données virtuelles fiables, l’optimisation était plus lente et plus coûteuse. Les prototypes physiques et les essais destructifs exigeaient du matériau, de la main-d’œuvre et du temps machine. Lorsqu’un essai révélait un problème, l’équipe devait modifier la conception, fabriquer un autre prototype, puis recommencer les essais.

L’autre option consistait souvent à concevoir de manière conservatrice. L’ajout de matériau peut réduire le risque perçu, mais le surdimensionnement peut augmenter le poids du produit, la consommation de matériaux, les coûts de fabrication et les efforts requis en fonctionnement. Il peut aussi masquer le comportement réel de la structure au lieu de corriger le chemin de charge critique.

Les essais physiques demeurent importants, particulièrement pour la validation finale, la certification et l’étude de comportements réels complexes. Leur limite est qu’un prototype montre généralement ce qui s’est produit, tandis que la simulation aide à comprendre où et pourquoi cela s’est produit.

L’analyse par éléments finis permet de visualiser les contraintes, les déformations et les déplacements dans l’ensemble d’une structure. Les ingénieurs peuvent examiner les chemins de charge internes et comparer différentes variantes de conception avant d’engager de nouveaux matériaux et des ressources de fabrication.

Pour des accessoires fabriqués à l’unité ou hautement personnalisés, la construction de plusieurs prototypes peut être difficilement justifiable sur le plan commercial. Les essais virtuels permettent à l’équipe d’ingénierie d’évaluer ces projets plus tôt et de déterminer si la conception proposée est viable.

SOLIDWORKS Simulation est une solution d’analyse structurale qui utilise l’analyse par éléments finis, ou AEF, pour prévoir la réaction d’un modèle CAO aux charges, aux déplacements imposés et aux propriétés des matériaux. Comme la solution est intégrée à l’environnement de conception SOLIDWORKS, les ingénieurs peuvent évaluer un modèle sans avoir à le reconstruire dans une interface distincte.

Une étude structurale type suit les étapes suivantes :

1. Définir l’objectif de l’analyse et les modes de défaillance prévus.

2. Simplifier le modèle CAO tout en préservant son comportement structural.

3. Confirmer les propriétés des matériaux.

4. Appliquer les déplacements imposés, les contacts, les connecteurs et les charges externes.

5. Créer un maillage par éléments finis approprié.

6. Résoudre l’étude et examiner les contraintes, les déplacements et les autres résultats.

7. Vérifier les hypothèses, la convergence et le facteur de sécurité.

8. Modifier la conception et comparer les nouveaux résultats.

9. Documenter la configuration, les résultats et les conclusions d’ingénierie.

Le logiciel effectue les calculs, mais le jugement de l’ingénieur demeure essentiel. Un résultat n’est pertinent que si les matériaux, les déplacements imposés, les contacts, les charges et les hypothèses de modélisation représentent assez fidèlement l’application réelle pour appuyer la décision à prendre.

Le webinaire présente une analyse par éléments finis réalisée sur une lame à neige directionnelle développée par GRYB. Ce produit est soumis à des forces importantes lorsqu’il déplace la neige et change d’orientation. Ses pivots, ses structures soudées et ses composants porteurs doivent transmettre ces forces de façon sécuritaire.

L’étude visait à vérifier si le produit offrirait la performance structurale requise dans un scénario de chargement défini.

GRYB a fourni un modèle 3D simplifié pour l’analyse. Il s’agit d’une pratique clé en simulation. Analyser chaque détail de fabrication peut augmenter le temps de calcul sans améliorer la qualité de la réponse.

Les petits éléments esthétiques, les composants non structuraux et les géométries éloignées de la zone d’intérêt peuvent être retirés s’ils n’influencent pas de manière significative la rigidité ou le transfert des charges. Le but n’est pas de créer le modèle le plus détaillé possible, mais bien le modèle le plus simple qui représente toujours le comportement physique pertinent.

La simplification du modèle peut :

• réduire le temps de maillage et de résolution;

• éviter une complexité de maillage inutile;

• faciliter l’examen des contacts et des conditions aux limites;

• aider les ingénieurs à se concentrer sur les parties critiques de la structure.

La formation et l’expérience sont importantes à cette étape. La suppression d’un mauvais élément peut fausser la rigidité ou éliminer une concentration locale de contraintes qui compte réellement.

Comme SOLIDWORKS Simulation est intégré à SOLIDWORKS Design, les matériaux attribués dans le modèle CAO peuvent servir à configurer l’étude. Dans l’exemple présenté lors du webinaire, une grande partie de la structure de la lame est fabriquée en acier de construction 44W, à quelques exceptions près.

Les ingénieurs doivent tout de même vérifier que le modèle et les propriétés des matériaux correspondent au produit réel. La limite d’élasticité, le module d’élasticité et les autres propriétés influencent directement l’interprétation des contraintes, la déformation et le calcul du facteur de sécurité.

La démonstration comprend une condition de charnière fixe appliquée à des faces cylindriques. Les conditions aux limites indiquent au solveur comment le modèle est soutenu et de quelle façon il peut se déplacer.

Un déplacement imposé trop rigide peut créer des contraintes artificielles, tandis qu’un modèle insuffisamment contraint peut se déplacer de façon irréaliste ou ne pas parvenir à une solution. Les indications visuelles du logiciel aident les utilisateurs à comprendre les degrés de liberté supprimés par chaque restriction, mais la configuration doit tout de même refléter les conditions de montage réelles.

L’équipe applique ensuite une charge représentant la condition de fonctionnement à évaluer. Pour une lame directionnelle, différentes positions et directions de chargement peuvent entraîner des réactions structurales différentes. Un plan de validation complet peut donc exiger plus d’un cas de charge.

Chaque cas devrait répondre à une question d’ingénierie précise. Par exemple :

• Que se passe-t-il sous la charge de fonctionnement prévue?

• Quelle orientation produit les contraintes les plus élevées?

• Comment une charge décentrée influence-t-elle le châssis?

• Que se passe-t-il au niveau des pivots, des boulons et des soudures?

• Le déplacement demeure-t-il dans une limite acceptable?

Une fois l’étude résolue, une animation de la déformée amplifiée peut faciliter la compréhension du comportement structural global. Les ingénieurs peuvent aussi examiner :

• les contraintes de von Mises;

• les déformations;

• les déplacements;

• les forces de réaction;

• les forces dans les boulons ou les connecteurs;

• les forces dans les soudures;

• le facteur de sécurité.

Ces tracés permettent de repérer les zones à risque et d’orienter les modifications de conception. Une valeur maximale isolée ne devrait pas être acceptée sans analyse. Les ingénieurs doivent déterminer si le résultat est physiquement pertinent, s’il provient d’une singularité idéalisée ou s’il est sensible à la densité du maillage et aux conditions aux limites.

La simulation aide GRYB à repérer les zones critiques plutôt qu’à ajouter du matériau dans l’ensemble du produit. Les renforts peuvent être placés là où le chemin de charge et les résultats de contraintes montrent qu’ils sont nécessaires.

La résistance et le poids ne doivent pas toujours évoluer dans la même direction. En retirant le matériau inutile dans les zones faiblement sollicitées et en améliorant les zones à risque élevé, les ingénieurs peuvent alléger une conception sans compromettre la performance requise.

Les essais virtuels permettent à l’équipe d’écarter les concepts faibles et d’améliorer les plus prometteurs avant la fabrication. Les essais physiques peuvent alors porter sur une conception plus aboutie, ce qui réduit les itérations de prototypage évitables.

L’optimisation des matériaux peut réduire la consommation d’acier sur l’ensemble des volumes de production. Même une amélioration modeste par unité peut devenir significative lorsqu’elle est répétée à grande échelle.

Les ingénieurs peuvent comparer des variantes dans leur flux de travail CAO et évaluer l’effet d’un changement de géométrie, d’épaisseur ou de matériau. Cette possibilité raccourcit les cycles de conception et accélère la mise en marché.

GRYB indique que la simulation a rendu possibles de nombreux projets uniques et adaptés aux besoins de clients précis. Lorsque la fabrication de plusieurs prototypes physiques n’est pas réaliste, la validation virtuelle fournit des données probantes qui appuient la décision d’ingénierie.

SOLIDWORKS Simulation peut générer un rapport qui rassemble les paramètres et les résultats de l’étude dans un document Word. Ce rapport ne remplace pas la révision par un ingénieur, mais il fait gagner du temps et constitue une référence utile pour la collaboration, les revues de conception et les dossiers de projet.

Non. La simulation réduit la dépendance aux prototypes physiques, mais elle n’élimine pas automatiquement les essais. Le meilleur processus de développement de produits combine la validation virtuelle et la validation physique.

La simulation est particulièrement utile pour présélectionner les concepts, repérer les zones critiques, comparer des options et comprendre le comportement structural. Les essais physiques demeurent importants pour confirmer les hypothèses du modèle, tenir compte de la variabilité de fabrication, valider les contacts complexes et mesurer des comportements difficiles à représenter avec précision.

La corrélation entre les résultats simulés et mesurés renforce la confiance envers les analyses futures. À mesure qu’une entreprise développe ces connaissances, la simulation devient plus prédictive et plus utile tôt dans le processus de conception.

SOLIDWORKS indique que ses outils Simulation sont intégrés à l’environnement SOLIDWORKS Design. Cette intégration réduit les obstacles entre les modifications CAO et l’analyse d’ingénierie.

Pour les concepteurs et les ingénieurs, cela signifie qu’ils peuvent :

• travailler avec des géométries et des commandes familières;

• réutiliser les matériaux et les configurations CAO;

• évaluer les changements plus tôt dans le processus de conception;

• réaliser des itérations sans exporter et importer les modèles à répétition;

• maintenir un lien plus étroit entre les données de conception et de simulation.

Cette accessibilité favorise la conception guidée par la simulation, dans laquelle l’analyse éclaire les décisions tout au long du développement au lieu de servir uniquement de vérification finale.

Le logiciel à lui seul ne garantit pas des résultats fiables. Les analystes doivent comprendre les principes de l’analyse par éléments finis, la simplification des modèles, les contacts, les déplacements imposés, le maillage et l’interprétation des résultats.

L’exemple de GRYB illustre plusieurs pratiques exemplaires en simulation, notamment la simplification du modèle et la définition claire de ses contraintes. Une formation structurée aide les utilisateurs à comprendre non seulement quelles commandes sélectionner, mais aussi pourquoi une configuration est appropriée et comment reconnaître un résultat trompeur.

La formation officielle SOLIDWORKS Simulation couvre le processus d’AEF, du maillage à l’évaluation des résultats, y compris l’analyse statique linéaire, les contacts et les pratiques recommandées.

Si vous n’avez pas d’ingénieur sous la main, vous pouvez tout à fait dégrossir le travail en modélisant vous-même votre première analyse. Il suffit ensuite de confier ce fichier à un expert qualifié pour l’étape finale de vérification et de signature. C’est une excellente stratégie pour couper dans les coûts, puisque vous payez uniquement pour le temps de validation.

Avant d’approuver une conception à partir d’une analyse par éléments finis, posez-vous les questions suivantes :

• La question d’ingénierie est-elle clairement définie?

• Le type d’étude choisi convient-il au comportement prévu?

• La géométrie simplifiée préserve-t-elle la rigidité et les chemins de charge?

• Tous les matériaux et leurs propriétés sont-ils exacts?

• Les déplacements imposés représentent-ils les appuis réels sans surcontraindre le modèle?

• Les charges reposent-elles sur des conditions de fonctionnement réalistes?

• Les contacts, les boulons et les soudures pertinents sont-ils correctement représentés?

• Le maillage est-il raffiné dans les zones critiques?

• La sensibilité au maillage ou la convergence ont-elles été vérifiées?

• Les contraintes maximales ont-elles une signification physique?

• Le facteur de sécurité repose-t-il sur la bonne limite du matériau et les bons critères de conception?

• Les hypothèses et les conclusions ont-elles été documentées?

• Des essais physiques ou une corrélation sont-ils encore nécessaires?

SOLIDWORKS Simulation est une gamme d’outils d’analyse intégrée à SOLIDWORKS Design. Elle utilise l’analyse par éléments finis pour prévoir la réponse structurale et aider les ingénieurs à valider et à optimiser leurs conceptions CAO avant la fabrication.

La simulation permet aux ingénieurs de repérer les concepts faibles, de localiser les concentrations de contraintes et de comparer virtuellement différentes options de conception. Elle peut ainsi réduire le nombre d’itérations de prototypes physiques et concentrer les essais sur des conceptions plus abouties.

Selon l’étude et le modèle, les résultats peuvent comprendre les contraintes, les déformations, les déplacements, les forces de réaction, les charges dans les connecteurs, les forces dans les soudures et le facteur de sécurité.

Oui. Les ingénieurs peuvent utiliser les résultats de contraintes et de déplacements pour retirer le matériau inutile des zones peu sollicitées et renforcer les zones critiques, tout en respectant les exigences de fabrication et de sécurité.

L’AEF peut fournir des prédictions utiles lorsque la géométrie, les propriétés des matériaux, le maillage, les contacts, les charges et les déplacements imposés représentent correctement le système réel. La précision dépend à la fois du modèle et du jugement professionnel de l’analyste.

Pas dans tous les cas. La simulation peut réduire le nombre d’essais destructifs et améliorer la conception avant les essais, mais une validation physique peut demeurer nécessaire pour la corrélation, la certification ou l’étude de comportements réels complexes.

Oui. L’analyse virtuelle est particulièrement utile lorsque le volume d’un projet ne justifie pas la fabrication de plusieurs prototypes physiques. Elle donne aux ingénieurs une méthode structurée pour évaluer une conception personnalisée avant sa fabrication.

L’expérience de GRYB montre que la simulation apporte le plus de valeur lorsqu’elle fait partie intégrante du processus de conception, plutôt que de servir uniquement d’étape d’approbation finale. Cette technologie a aidé l’entreprise à repérer les risques structuraux, à optimiser les matériaux, à réduire les cycles de prototypage inutiles et à aborder les projets sur mesure avec une plus grande confiance.

Cette leçon va bien au-delà de la machinerie lourde. Lorsque les ingénieurs peuvent prévoir le comportement d’une conception avant sa fabrication, ils prennent des décisions plus rapides et mieux étayées concernant la géométrie, les matériaux, les coûts et la performance.

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