DIGIMAT

Digimat la solution pour la conception et la simulation du comportement des matériaux

L’industrie à de plus en plus recours aux matériaux composites (constitués de plusieurs phases) pour répondre aux exigences de réduction de masse tout en respectant les objectifs de rigidité. La capacité à simuler avec précision le comportement des matériaux anisotropes devient déterminante pour le dimensionnement des structures.

Dans certains cas, l’utilisation de lois de comportement génériques disponibles dans les logiciels peut s’avérer inappropriée (écarts importants des résultats de simulation avec les tests physiques, sur-dimensionnement des structures).

Ces limitations peuvent provenir:

de la difficulté de disposer d’une loi de comportement pertinente, ou d’identifier ses coefficients,
de l’absence d’une loi de comportement générique adaptée au matériau considéré, ou au sollicitations auxquelles il est soumis,
de la difficulté à représenter l’influence du procédé de fabrication du composant comme, par exemple, l’emboutissage, l’injection, le soudage.

Pour être en mesure de simuler les matériaux anisotropes dans de bonnes conditions, l’ingénieur doit donc multiplier les essais de caractérisation, tenter d’estimer l’influence des processus de fabrication sur les propriétés mécaniques de la pièce (comme dans les procédés d’injection de matériaux plastiques chargés en fibres), ou trouver un compromis, par définition imparfait, pour sélectionner sa loi de comportement.

Ces difficultés induisent des coûts, des délais supplémentaires, et des incertitudes sur la qualité des résultats des simulations.

Il est donc nécessaire d’avoir recours à de nouveaux outils qui permettront de:

caractériser le comportement d’un matériau anisotrope à partir de la description de sa structure microscopique ou macroscopique, à partir de la description des phases qui le constituent (matrice, fibres, inclusions…),
transférer les informations décrivant l’état du matériau en tout point de la pièce à l’issu de sa fabrication, pour l’utiliser comme conditions initiales de l’analyse structurelle (statique, dynamique, acoustique, thermique, thermo-mécanique).

Les propriétés pouvant être évaluées sont :

les propriétés mécaniques,
les propriétés thermiques,
les propriétés thermo-mécaniques
les propriétés électriques.

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Questions

Approche multi-échelles

La simulation des matériaux apportera une plus value pour deux activités distinctes:

l’ingénierie des matériaux: Cette activité servira à identifier la formulation (proportion et nature des constituants), la micro structure (forme et distribution des inclusions), ou l’architecture du matériau (nombre et orientation des plis, type de trame),
l’ingénierie structurelle: Grâce à une loi de comportement mieux adaptée, les résultats des simulations seront plus précis. Les performances des composants réalisés avec les matériaux sélectionnés (comportement mécanique, thermique, vibratoire et acoustique), pourront être estimés avec plus de confiance.

Digimat aide les ingénieurs à élaborer et valider les constituants, l’architecture, ou la micro structure des matériaux qui leur permettra d’atteindre les performances structurelles attendues.

Modélisation micromécanique du matériau

Digimat permet à l’utilisateur de simuler le comportement mécanique d’un volume élémentaire représentatif de son matériau (Representative Volume Element – RVE). Un cube unitaire est alors considéré, et la structure du matériau représentée (import d’une définition géométrique réalisée dans un logiciel de CAO).

Le matériau constitutif, la distribution, la forme, l’orientation des inclusions, leur adhérence avec la matrice peuvent être définis. Il est aussi possible de définir les vides éventuellement présents dans le volume.

Les chargements agissant sur le RVE sont appliqués, puis un maillage du RVE réalisé (maillage de la matrice et des inclusions).

A l’issue de l’analyse du RVE, les courbes caractérisant le comportement du RVE sont obtenues, et peuvent être stockées pour être ensuite utilisées dans un calcul de structure sur la pièce à étudier.

Modélisation macro mécanique du matériau

Cette approche utilise des méthodes d’homogénéisation par champs moyens. Les volumes de matrice et de fibre sont spécifiés pour permettre d’estimer le comportement global du matériau.

Comme pour l’approche micromécanique, la loi de comportement ainsi obtenue peut ensuite être utilisée pour l’analyse par éléments finis du comportement d’une structure.

Prise en compte de l’influence des procédés de fabrication

Digimat permet de transférer les champs de déformations, de contraintes, ainsi que l’orientation des fibres obtenus à l’issue d’une simulation de mise en forme, de soudage ou d’injection, pour définir l’état initial d’une structure lors d’une analyse structurelle (analyse par la méthode des éléments finis).

L’influence du procédé de fabrication sur le comportement mécanique d’une pièce peut alors être pris en compte. Les résultats de l’analyse structurelle ainsi obtenus sont alors plus précis et plus fiables.

Les matériaux dont le comportement mécanique peut être simulé avec Digimat sont, principalement, les plastiques renforcés, les composites à matrice polymère (PMC), à matrice métallique (MMC), à matrice céramique (CMC), les nano composites, les composites élastomères, ainsi que certains alliages métalliques.

La validation des performances (utilisation des lois de comportement obtenues avec Digimat)

Les lois de comportement des matériaux obtenues grâce aux modélisations Digimat, peuvent être utilisées ultérieurement pour les analyses des structures, et pour l’estimation de leur tenue en fatigue.

Dans ce cas, les lois de comportement disponibles dans les logiciels seront remplacées dans le processus de résolution par les lois Digimat.

Cette intégration est possible:

avec les logiciels de calcul des structures comme Abaqus standard & explicit, Ansys, LS-Dyna, MSC Marc, MSC Nastran, Optistruct, Pam Crash, Radioss, Samcef.
avec les logiciels de simulation en fatigue comme VirtualLab Durability, et Design Life.

Matériaux anisotropes pouvant être simulés avec Digimat