Idéalisation d'assemblages CAO pour l'analyse EF de structures

par Flavien Boussuge

Thèse de doctorat en Mathématiques

Sous la direction de Jean-Claude Léon et de Stéfanie Hahmann.

Soutenue le 08-07-2014

à Grenoble , dans le cadre de École doctorale mathématiques, sciences et technologies de l'information, informatique (Grenoble) , en partenariat avec Laboratoire Jean Kunztmann (équipe de recherche) et de Laboratoire Jean Kuntzmann (laboratoire) .

Le président du jury était Jean-philippe Pernot.

Le jury était composé de Lionel Fine.

Les rapporteurs étaient Bruno Levy, Cecil g. Armstrong.


  • Résumé

    Les entreprises aéronautiques ont un besoin continu de générer de grands et complexes modèles de simulation, en particulier pour simuler le comportement structurel de sous-systèmes de leurs produits. Actuellement, le pré-traitement des modèles de Conception Assistée par Ordinateur (CAO) issus des maquettes numériques de ces sous-systèmes en Modèles Eléments Finis (MEF), est une tâche qui demande de longues heures de travail de la part des ingénieurs de simulation, surtout lorsque des idéalisations géométriques sont nécessaires. L'objectif de ce travail de thèse consiste à définir les principes et les opérateurs constituant la chaîne numérique qui permettra, à partir de maquettes numériques complexes, de produire des géométries directement utilisables pour la génération de maillages éléments finis d'une simulation mécanique. A partir d'une maquette numérique enrichie d'information sur les interfaces géométriques entre composants et d'information sur les propriétés fonctionnelles de l'assemblage, l'approche proposée dans ce manuscrit est d'ajouter un niveau supplémentaire d'enrichissement en fournissant une représentation structurelle de haut niveau de la forme des composants CAO. Le principe de cet enrichissement est d'extraire un graphe de construction de modèles CAO B-Rep de sorte que les processus de génération de forme correspondants fournissent des primitives volumiques directement adaptées à un processus d'idéalisation. Ces primitives constituent la base d'une analyse morphologique qui identifie dans les formes des composants à la fois des sous-domaines candidats à l'idéalisation mais également les interfaces géométriques qui leurs sont associées. Ainsi, les modèles de composants et leurs représentations géométriques sont structurés. Ils sont intégrés dans la maquette numérique enrichie qui est ainsi contextualisée pour la simulation par EF. De cette maquette numérique enrichie, les objectifs de simulation peuvent être utilisés pour spécifier les opérateurs géométriques adaptant les composants et leurs interfaces lors de processus automatiques de préparation d'assemblages. Ainsi, un nouveau procédé d'idéalisation de composant unitaire est proposé. Il bénéficie de l'analyse morphologique faite sur le composant lui fournissant une décomposition en sous-domaines idéalisables et en interfaces. Cette décomposition est utilisée pour générer les modèles idéalisés de ces sous-domaines et les connecter à partir de l'analyse de leurs interfaces, ce qui conduit à l'idéalisation complète du composant. Enfin, le processus d'idéalisation est étendu au niveau de l'assemblage et évolue vers une méthodologie de pré-traitement automatique de maquettes numériques. Cette méthodologie vise à exploiter l'information fonctionnelle de l'assemblage et les informations morphologiques des composants afin de transformer à la fois des groupes de composants associés à une même fonction ainsi que de traiter les transformations d'idéalisation de l'assemblage. Pour démontrer la validité de la méthodologie, des opérateurs géométriques sont développés et testés sur des cas d'application industriels.

  • Titre traduit

    Idealization of CAD assemblies for FE structural analyses


  • Résumé

    Aeronautical companies face a significant increase in complexity and size of simulation models especially at the level of assemblies, sub-systems of their complex products. Pre-processing of Computer Aided Design (CAD) models derived from the digital representation of sub-systems, i.e., Digital Mock-Ups (DMUs), into Finite Elements Analysis (FEA) models requires usually many tedious manual tasks of model preparation and shape transformations, in particular when idealizations of components or assemblies have to be produced. Therefore, the purpose of this thesis is to make a contribution to the robust automation of the time-consuming sequences of assembly preparation processes. Starting from an enriched DMU with geometrical interfaces between components and functional properties, the proposed approach takes DMU enrichment to the next level by structuring components' shapes. This approach extracts a construction graph from B-Rep CAD models so that the corresponding generative processes provide meaningful volume primitives for idealization application. These primitives form the basis of a morphological analysis which identifies the sub-domains for idealization in the components' shapes and their associated geometric interfaces. Subsequently, models of components as well as their geometric representation get structured in an enriched DMU which is contextualized for FEA application. Based on this enriched DMU, simulation objectives can be used to specify geometric operators that can be robustly applied to automate components and interfaces shape transformations during an assembly preparation process. A new idealization process of standalone components is proposed while benefiting from the decomposition into sub-domains and their geometric interfaces provided by the morphological analysis of the component. Interfaces between sub-domains are evaluated to robustly process the connections between the idealized sub-domains leading to the complete idealization of the component. Finally, the scope of the idealization process is extended to shape transformations at the assembly level and evolves toward a methodology of assembly pre-processing. This methodology aims at exploiting the functional information of the assembly and interfaces between components to perform transformations of groups of components and assembly idealizations. In order to prove the applicability of the proposed methodology, corresponding operators are developed and successfully tested on industrial use-cases.


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