Sur le marché actuel, la réussite repose à la fois sur le développement de produits fiables et conformes aux attentes, et sur leur lancement au moment opportun. À l’instar de nombreuses autres entreprises, Veryst Engineering a constaté que la simulation est un outil efficace pour analyser un produit en détails et s’assurer que sa conception répond aux spécifications avant les phases de prototypage ou de fabrication. Pour que cela fonctionne, les résultats obtenus par les simulations doivent refléter ceux observés dans la réalité, et la compréhension du comportement des matériaux joue un rôle central. Cependant, tous les matériaux ne se comportent pas de manière prévisible.
Les polymères offrent une protection là où d’autres matériaux échouent
Les matériaux polymères sont couramment utilisés dans les composants qui doivent résister en toute sécurité aux chocs ou protéger d’autres dispositifs, en agissant comme absorbeurs d’énergie ou atténuateurs de charge. Selon l’article “High Strain Rate Characterization of Polymers” rédigé par C.R. Siviour, les polymères sont utilisés soit dans des situations ponctuelles, où une déformation plastique est acceptable, soit dans le cadre de sollicitations répétées, où le polymère doit retrouver ses dimensions et ses propriétés d’origine.
La pompe péristaltique est l’un des composants qui tire parti de la capacité du matériau polymère à reprendre sa forme initiale après des contraintes répétées. On retrouve souvent ce type de pompes dans des applications à haut risque où la sécurité et la durabilité sont prioritaires et qui impliquent le pompage de fluides stériles, propres ou agressifs à travers un système. Les pompes péristaltiques sont conçues pour éviter tout contact entre le fluide et les pièces de la pompe: le fluide est poussé à travers un tube en polymère par un ensemble de rouleaux et n’entre en contact avec aucun autre élément que le tube.
Une pompe péristaltique contenant un liquide transparent dans le tube. Le boîtier extérieur a été retiré afin de montrer les composants de la pompe.
Dans un milieu hospitalier par exemple, il est essentiel que les liquides administrés par voie intraveineuse restent stériles lorsqu’ils sont pompés à travers des dispositifs de perfusion, et que le sang circulant dans les machines coeur–poumon lors d’une opération de pontage coronarien ne soit pas contaminé. Les pompes péristaltiques jouent également un rôle essentiel dans la protection de la santé des consommateurs, car elles sont souvent utilisées dans les distributeurs de boissons et de savon. Dans d’autres domaines, c’est le fluide qui risque davantage d’endommager la pompe que l’inverse. Par exemple, des produits chimiques agressifs ou des boues minières corroderaient rapidement toute pièce métallique s’ils n’étaient pas confinés en toute sécurité dans un tube en polymère.
Il est bien connu que les matériaux polymères conviennent pour la composition des tubes situés dans des pompes péristaltiques, mais cela ne garantit pas pour autant le succès d’une conception donnée. Comme toujours, il est judicieux de tester et d’évaluer les performances du produit ou du système final au fil du temps avant de passer à la phase de développement et de production. Plus le cas d’utilisation présente de risques, plus les essais sont importants pendant la phase de conception.
Nous avons passé une journée dans les locaux de Veryst pour découvrir comment ils associent les essais matériaux et la simulation, et nous avons réalisé une vidéo pour que vous puissiez vous aussi écouter directement leur témoignage.
Les non-linéarités sont à la fois une bénédiction et une malédiction
Lors de la conception de pompes péristaltiques, il est nécessaire de prendre en compte les aspects suivants:
- L’interaction entre les rouleaux et le tube
- L’ampleur de la déformation et son effet sur le matériau du tube
Comme le savent les ingénieurs du cabinet de conseil Veryst Engineering, lorsque le tube est comprimé pour faire circuler le fluide dans le système, celui-ci subit d’importantes déformations; or, comme ce pompage se répète sans cesse, cela peut entraîner une fatigue du matériau. Pour aider ses clients à éviter cette situation dès la phase de conception, Veryst se tourne naturellement vers la simulation.
L’une des raisons pour lesquelles ils apprécient la simulation est qu’elle leur permet de mieux comprendre les performances d’un produit au cours du temps, ce qui leur permet de vérifier que la conception respecte les spécifications. Dans le cas de la pompe péristaltique, Veryst a entrepris d’étudier les contraintes exercées sur le tube afin de s’assurer qu’il puisse résister à un million de cycles. Ils ont aussi étudié les contraintes de cisaillement dans l’écoulement — certains fluides pouvant supporter des contraintes de cisaillement élevées (par exemple l’eau), quand d’autres ne le peuvent pas (par exemple le sang). Les ingénieurs ont également cherché à trouver des moyens de réduire les fluctuations du débit.
La géométrie d’une pompe péristaltique.
Dans toute simulation, il est essentiel de bien définir la géométrie, les conditions aux limites et le maillage. Un ingénieur en simulation expérimenté est capable de s’en charger. Cependant, pour obtenir des résultats précis et fiables, il faut également comprendre le comportement du matériau concerné. C’est là que Veryst sort un autre atout de sa manche: l’entreprise dispose d’un laboratoire d’essais de matériaux sur place. Tout va pour le mieux, n’est-ce pas? Pas si sûr.
Les polymères sont utiles car leurs propriétés matériaux non-linéaires leur permettent de revenir à leur état normal après des sollicitations répétées, mais c’est précisément pour cette raison qu’ils sont difficiles à tester. Comme l’indique l’article de C.R. Siviour, “réaliser des mesures du comportement des polymères à des rythmes de sollicitations élevés peut s’avérer difficile, et ce sont précisément les propriétés qui les rendent utiles qui contribuent à cette difficulté.” L’article précise également que les essais nécessitent des vitesses d’acquisition suffisamment élevées pour caractériser la réponse structurelle d’un échantillon à une déformation à vitesse élevée; la photographie rapide et la diffraction des rayons X sont des méthodes pertinentes, tandis que l’imagerie thermique est difficile à mettre en oeuvre. On pourrait dire que la non-linéarité est à la fois une bénédiction et une malédiction.
Il est temps que les équipes de simulation s’associent aux équipes d’essais.
Les essais de chute et de traction permettent d’élaborer un modèle de matériau
Chez Veryst, l’ingénieur d’essais réalise des essais de traction et de chute afin de mieux comprendre le comportement du tube en polymère et fournit par la suite à l’ingénieur en simulation un modèle de matériau à utiliser dans les simulations. Sean Teller, ingénieur senior chez Veryst spécialisé dans le comportement des matériaux, nous présente ces essais.
L’essai de traction
L’essai de traction est un essai cyclique utilisé pour tester la résistance à la traction du matériau à faible vitesse (un tube de pompe péristaltique, dans le cas présent). Il permet en fin de compte de déterminer comment le matériau se comporte sous des déformations et des contraintes faibles et élevées.
Pour préparer le matériau en vue de l’essai de traction, Veryst retire le tube, le coupe en deux dans le sens de la longueur, découpe une éprouvette et y applique un motif de taches noires et blanches destiné au système de corrélation d’images numériques utilisé pour mesurer la déformation.
Teller décrit dans cette vidéo l’essai de traction:
Le test de chute
Le test de chute est utilisé pour réaliser des essais de traction et de compression à vitesse élevée sur des matériaux polymères. La réponse mécanique des matériaux polymères dépendant de la vitesse de déformation, il est nécessaire de recourir à des essais à vitesse élevée pour caractériser pleinement ces matériaux. Si le principe est simple en théorie, la mise en oeuvre s’avère complexe et l’analyse difficile.
L’installation de Veryst comprend un système de caméras haute vitesse qui fournit des données précieuses pour l’étude de la réponse des matériaux à des vitesses élevées, afin de les calibrer et de les simuler dans leurs modèles. Teller décrit dans cette vidéo le test de chute:
À vos marques, prêts, simulez !
Ces essais permettent de déterminer la relation contrainte-déformation du matériau, et à partir de ces données, Veryst élabore un modèle de matériau pouvant être utilisé dans la simulation. En associant son expertise en simulation à un modèle de matériau précis, Veryst est alors en mesure de modéliser le contact, le fluide, et toutes les interactions entre les différents matériaux de la pompe péristaltique.
À ce stade, il convient de rappeler que le comportement d’une pompe péristaltique est complexe. Le fluide peut réellement influencer le solide et inversement: il s’agit d’un problème d’interaction fluide-structure (FSI) fortement couplé. On ne peut négliger ni le chargement exercé par le fluide, ni celui exercé par le solide; il faut tenir compte des deux. De plus, le domaine fluide est comprimé au point de quasiment disparaître, ce qui signifie que le maillage peut facilement subir une déformation excessive.
Une fois qu’il a déterminé le modèle de matériau, l’ingénieur en simulation se tourne vers le logiciel COMSOL Multiphysics® pour analyser en détail le comportement de la pompe péristaltique. Comme l’explique Nagi Elabbasi, ingénieur principal et expert en simulation chez Veryst, “COMSOL se distingue en proposant un solveur monolithique, le solveur couplage fort” pour résoudre les problèmes de FSI fortement couplés. Les fonctionnalités intégrées permettant de contrôler le déplacement du maillage s’avèrent également très utiles et évitent une distorsion excessive du maillage.
Une animation du modèle maillé de la pompe péristaltique réalisé avec COMSOL Multiphysics.
Une simulation FSI de la pompe péristaltique réalisée avec COMSOL Multiphysics.
Au final, Veryst est en mesure de produire des résultats de simulation précis et fiables et d’optimiser la conception de la pompe péristaltique conformément aux spécifications de ses clients.
Commentaires (0)