TOSCA, DE PUISSANTES POSSIBILITES D’OPTIMISATION FEA ET CFD
Pour proposer des designs innovants répondant aux contraintes techniques et économiques, il faut souvent repenser la conception traditionnelle. La simulation numérique et l’optimisation permettent aujourd’hui de travailler directement sur celle-ci à partir d’un espace de conception et des contraintes associées (masse maximale, connexions avec l’environnement, fabricabilité…), intégrant l’expérience et le savoir-faire du concepteur à travers l’interprétation des résultats.
Aujourd’hui le marché propose plusieurs solutions d’aide à la conception innovante. La qualité des résultats obtenus dépend des attentes, de la complexité phénoménologique et des outils de simulation intervenant dans l’optimisation (parfois cachés).
TOSCA se distingue par sa capacité à se coupler aux meilleurs solveurs éléments finis comme ABAQUS pour s’appuyer sur des simulations aussi réalistes que possible et par sa gestion des non-linéarités, notamment le contact.
Par ailleurs, la conception assistée par optimisation peut se faire en deux étapes avec une première phase permettant de faire émerger un concept innovant et une deuxième permettant de porter le concept à maturation en optimisant selon une nouvelle méthode le résultat de la première étape.
TOSCA intègre ces deux aspects de la conception à plusieurs méthodes d’optimisation adaptées aux différents besoins industriels :
- L’optimisation topologique structure et fluide,
- L’optimisation de forme,
- L’optimisation de d’emboutis,
- L’optimisation de type « sizing » (optimisation des épaisseurs d’une structure modélisée en éléments de type coque).
INNOVATION CONCEPTUELLE
Des optimisations innovantes
L’optimisation innovante consiste à définir un design à partir d’un cahier des charges, comprenant l’espace occupé maximal, les connexions à l’environnement, les contraintes de fabrication. La technique la plus connue aujourd’hui est l’optimisation topologique dans le domaine de la structure. TOSCA y apporte ses qualités particulières notamment dans le domaine non-linéaire, mais propose également l’optimisation topologique fluide et l’optimisation d’emboutis.
Optimisation Topologique
Structurelle
TOSCA Structure.Topology permet la conception rapide et fiable de composants et systèmes légers, rigides et durables. Elle permet de faire des économies en enlevant la matière « qui ne travaille pas », c’est-à-dire celle par lesquels aucun effort ou presque ne transite. Ce faisant, on évide l’espace de conception pour obtenir un nouveau design adapté au cahier des charges, résistant notamment aux sollicitations mécaniques auxquelles sera soumise la pièce au cours de sa vie.
Puisque l’objectif de l’optimisation topologique est l’obtention d’un design, celle-ci intervient naturellement au début du cycle de conception de la pièce.
La fabricabilité du design obtenu est un élément crucial du cahier des charges. TOSCA répond à cette demande en intégrant des contraintes de fabrication à l’optimisation telles des contraintes de démoulage de la pièce dans une direction imposée ou une épaisseur minimale. On peut également imposer que le design obtenu soit symétrique ou admette des périodicités.
L’atout majeur de TOSCA Structure est de pouvoir prendre en compte les non-linéarités dans l’optimisation. Cette capacité permet d’exploiter au maximum les qualités des solveurs d’analyse par éléments finis afin de prendre en compte une phénoménologie aussi réaliste que possible, intégrant notamment des non-linéarités matérielles et les problèmes de contact.
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Fluidique
TOSCA Fluid est un logiciel unique pour la conception de canalisations. Il s’appuie sur une technologie d’optimisation non paramétrique couplée avec un solveur CFD pour déterminer l’aspect d’une canalisation ou d’un embranchement de conduites afin de réduire au maximum les recirculations du fluide et les pertes de charge qui en découlent.
Une seule exécution du solveur CFD est nécessaire pour établir un écoulement aussi uniforme que possible entre les entrées et sorties de l’espace de conception. Dès lors, TOSCA Fluid génère des designs de conduites optimisant le flux, ce qui permet d’améliorer l’efficacité énergétique et le confort d’utilisation grâce à la réduction des instabilités d’écoulement, du bruit induit et des vibrations.
De par son principe, l’optimisation fluidique de TOSCA trouve naturellement son applications dans les problèmes d’équilibrage des flux des composants HVAC (Chauffage, Ventilation et Climatisation), de conception des diviseurs d’écoulement et des échangeurs de chaleur.
Optimisation d’emboutis
TOSCA Structure.Bead s’adresse aux industriels travaillant sur des assemblages de tôles et désireux d’augmenter leur raideur ou les fréquences des modes de vibration. Pour ce faire, l’optimisation définit un nouveau design via des motifs d’emboutis, leur localisation et leur orientation de façon à provoquer le raidissement de la structure.
MATURATION CONCEPTUELLE
Des optimisations de maturation de concept
Si les méthodes d’optimisation innovantes permettent l’élaboration de nouveaux designs, les optimisations de maturation de concept les affinent. TOSCA Structure propose deux méthodes non paramétriques : l’optimisation de forme pour améliorer la répartition des contraintes et l’optimisation d’épaisseurs pour les structures minces.
Optimisation de forme
Partant d’un design existant, l’optimisation de forme vient modifier automatiquement la surface de la pièce pour améliorer ses performances en termes de fiabilité et durabilité :
- Réduction des contraintes locales (pics de contraintes)
- Réduction des déformations,
- Allongement de la durée de vie du produit par la prise en compte d’analyse de fatigue
Les contraintes de fabrication sont également disponibles afin d’assurer la fabricabilité de la pièce : coulée, forgeage, estampage, extrusion… On peut également ajouter des contraintes de symétrie et définir un espace d’ajustement du maillage pour l’adapter à la nouvelle forme géométrique en conservant des résultats éléments finis fiables.
Enfin, TOSCA optimise les formes sur des modèles non-linéaires du point de vue matériaux, grandes déformations et contact, afin de se rapprocher des conditions d’utilisation réelles.
Optimisation d’épaisseur
TOSCA Structure.Sizing permet l’optimisation de l’épaisseur des structures minces afin d’en diminuer le poids ou d’améliorer le comportement vibratoire en conservant une bonne tenue mécanique.
La méthode utilisée vous permet de déterminer une épaisseur par élément fini de type coque, mais s’utilise également pour un ensemble d’épaisseur commun : typiquement pour tous les éléments de la structure réalisés avec la même tôle.
TOSCA Structure.Sizing est également capable de chercher les valeurs d’épaisseurs dans un catalogue afin de répondre aux critères de fabricabilité à moindre coût.
La solution de l’optimisation peut également être contrainte en fixant des valeurs minimales et maximales d’épaisseurs, le gel de certains éléments, des symétries et d’autres contraintes de couplages.
Cette méthode d’optimisation s’adresse particulièrement aux industriels utilisant des structures minces et pour lesquels l’enjeu du poids est majeur, tels l’automobile (caisse en blanc) et l’aéronautique.
INTEROPÉRABILITÉ
Un logiciel non intrusif
TOSCA est un logiciel d’optimisation conceptuelle permettant la définition et la finalisation de designs innovants dans le domaine structurel ou fluidique. Il exploite pour cela les analyses des solveurs de calcul dédiés au domaine d’intérêt (structure, fluide).
Logiciel de référence, TOSCA se couple avec plusieurs logiciels de calcul industriels en fonction de vos contraintes et préférences :
- La partie TOSCA Structure offre des optimisations efficaces basée sur les logiciels de référence dans l’industrie de FEA :
– ABAQUS,
– ANSYS,
– MSC Nastran.
- La partie TOSCA Fluid se base sur les logiciels référents dans le monde de la CFD :
– STAR-CCM+,
– ANSYS Fluent.
TOSCA permet également un export des résultats de la conception vers :
- Des logiciels de simulation,
- Des systèmes de CAO,
- Ou des données neutres type STL.
INTERFACE & INTÉGRATION
Intégration de TOSCA
TOSCA est un produit disponible en :
- Standalone grâce à une interface graphique dédiée,
- Intégré dans la suite ABAQUS grâce notamment à l’offre de jetons étendues qui regroupent les produits ABAQUS, TOSCA, ISIGHT et FE-SAFE à ce jour.
Interfaces graphiques
Pour optimiser grâce à TOSCA, différentes interfaces graphiques sont disponibles :
- Le module d’optimisation d’ABAQUS/CAE permet de définir interactivement la tâche d’optimisation directement dans l’interface graphique d’ABAQUS, mais aussi de lancer l’optimisation.
- L’extension TOSCA pour ANSYS Workbench permet de définir interactivement la tâche d’optimisation sur les modèles 3D d’ANSYS Workbench, de créer, lancer et post-traiter l’optimisation dans un environnement ANSYS.
- L’environnement TOSCA Ansa permet de définir interactivement une tâche d’optimisation sur des modèles 3D prédéfinis. Elle prend alors en charge des mises en données pour les logiciels ABAQUS, ANSYS et MSC NASTRAN.
- L’interface graphique TOSCA.GUI est une interface utilisateur graphique permettant la mise en donnée de la tâche d’optimisation, du lancement et du post-traitement de celle-ci pour l’ensemble des modèles ABAQUS, ANSYS et MSC NASTRAN.
