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Module Multibody Dynamics

Simuler la dynamique des systèmes multicorps

Le module Multibody Dynamics, un add-on du logiciel COMSOL Multiphysics®, fournit un ensemble d'outils basés sur la méthode des éléments finis (FEM) pour concevoir et optimiser des systèmes multicorps 2D et 3D. Le module offre la possibilité de simuler des systèmes constitués de pièces rigides et flexibles afin d'identifier les composants critiques tout en économisant les ressources de calcul. Cela permet de réaliser des analyses plus détaillées à l'échelle du composant, et ce pour de nombreux domaines d'applications tels que l'automobile, l'aéronautique, le spatial, la biomécanique et plus encore.

Le module contient des couplages multiphysiques prédéfinis parmi lesquels figurent l'interaction acoustique-structure, le couplage solide-palier, et l'interaction fluide-multicorps. Les capacités de modélisation multiphysique du logiciel COMSOL® permettent de combiner la dynamique multicorps avec d'autres phénomènes physiques, tels que des effets avancés en transfert de chaleur, écoulement fluide, acoustique et électromagnétisme. Les modèles de simulation peuvent être étendus en incluant des matériaux ayant des lois de comportement non-linéaires ou via des fonctionnalités d'import CAO.

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Un modèle de différentiel sur lequel l'amplitude du déplacement est affichée dans la palette de couleurs Prisme.
Un modèle de moteur à trois cylindres avec trois bielles montrant les contraintes au niveau de la bielle centrale.

Pièces rigides et flexibles

Dans la modélisation des systèmes multicorps, des pièces rigides et flexibles sont assemblées à l'aide de divers types de liaisons, d'engrenages, cames, roulements, ressorts ou encore amortisseurs, et sont soumis à de grands déplacements et de grandes rotations. L'un des avantages dans l'utilisation du module Multibody Dynamics est la facilité avec laquelle il est possible de combiner des pièces rigides et flexibles dans les systèmes multicorps.

En général, dans une simulation multicorps, l'ensemble des pièces ou la majorité d'entre elles sont rigides et sont donc représentées uniquement par des degrés de liberté de corps rigide. Cependant, il sera peut être parfois nécessaire de simuler une ou plusieurs pièces comme étant flexibles. Avec les différentes lois de comportement incluses dans le module, il est possible de définir certaines pièces comme étant rigides ou flexibles et ainsi de réaliser des analyses de structure détaillées prenant en compte les effets présents dans des matériaux non-linéaires. Le module Multibody Dynamics peut par exemple être utilisé pour calculer les efforts aux liaisons entre les pièces rigides ainsi que les contraintes générées dans les composants flexibles.

Analyses statiques et dynamiques

Le module Multibody Dynamics peut être utilisé pour modéliser le comportements statique et dynamique de composants qui subissent une combinaison de mouvements de translation et de rotation les uns par rapport aux autres. En dynamique, divers types d'analyses sont disponibles, comme par exemple:

Le module peut être utilisé pour simuler, par exemple, la dynamique de composants de transmission telles que des engrenages ou des chaînes. Les résultats d'une analyse multicorps peuvent ensuite être utilisés pour d'autres types d'analyses telles qu'un calcul de fatigue, ou encore une étude acoustique pour déterminer le bruit émis par le système.

Les déplacements, vitesses, accélérations, efforts aux liaisons, forces de contact dans les engrenages, et — dans les pièces flexibles — les contraintes, sont des exemples de variables pouvant être calculées. Il est également possible de modéliser le contact et le frottement entre des corps rigides, ce qui est beaucoup plus robuste et rapide qu'un contact standard reposant sur le maillage.

Caractéristiques et fonctionnalités du module Multibody Dynamics

Des outils pour concevoir et optimiser des systèmes multicorps dans le logiciel COMSOL®.

Une vue rapprochée du Constructeur de modèles avec le noeud Dynamique multicorps en surbrillance et un modèle de liaison pivot dans la fenêtre graphique.

Interfaces utilisateur prédéfinies

Lorsque l'on réalise une analyse en dynamique multicorps, toutes les étapes du processus de modélisation sont accessibles depuis l'environnement logiciel de COMSOL Multiphysics®. L'un des outils principaux du module Multibody Dynamics est l'interface Dynamique multicorps. Cette interface est utilisée pour modéliser des assemblages de composants flexibles, rigides, ou une combinaison des deux. Les fonctionnalités disponibles permettent de modéliser différents types de liaisons cinématiques, des engrenages, des transmission par chaîne et pignons, et des mécanismes came-suiveur. La bibliothèque de pièces facilite la construction de la géométrie des composants. La configuration du maillage et des solveurs est gérée automatiquement par le logiciel, avec des options pour l'éditer manuellement.

Une vue rapprochée du Constructeur de modèles avec le noeud Système mécanique discret en surbrillance et un graphique 1D dans la fenêtre graphique.

Systèmes mécaniques discrets

L'interface Système mécanique discret est disponible pour modéliser un système mécanique de manière abstraite en le représentant par un circuit constitué de composants discrets tels que des masses et des ressorts. Les composants discrets peuvent être montés en série ou en parallèle afin d'étudier les déplacements, vitesses, accélérations et forces.

Le couplage multiphysique Connexion système discret-structure peut être utilisé pour intégrer ces systèmes dans des modèles éléments finis (EF) construits avec l'une des interfaces de mécanique des structures.

Une vue rapprochée du Constructeur de modèles avec le noeud Transmission par chaîne en surbrillance et un modèle de chaîne élastique à rouleaux dans la fenêtre graphique.

Transmissions par chaîne

Typiquement, une transmission par chaîne est un assemblage de deux pignons ou plus, autour desquels s'enroule une chaîne qui transmet la puissance mécanique d'un arbre à un autre. La fonctionnalité Transmission par chaîne de l'interface Dynamique multicorps, permet de modéliser un ensemble chaîne à rouleaux et pignons en 2D et 3D. Cette fonctionnalité permet de déterminer les interactions dans un assemblage de transmission par chaîne et de générer automatiquement un ensemble de conditions décrivant le comportement de l'assemblage dans l'interface de dynamique multicorps.

Une vue rapprochée des réglages du noeud Roulement radial et un modèle d'engrenage dans la fenêtre graphique.

Roulements radiaux

Les roulements sont souvent utilisés pour des applications à faibles vitesses et pour lesquelles il n'y a pas de considérations particulières en matière de bruit. Ces roulements ont une durée de vie limitée, particulièrement en cas de défaut d'alignement, mais peuvent être facilement remplacés du fait de leur faible coût.

Le module Multibody Dynamics, utilisé conjointement avec le module Rotordynamics, fournit différents types de roulements radiaux prédéfinis en 3D:

  • Roulement à billes rigide
  • Roulement à billes à contact oblique
  • Roulement à rotule sur billes
  • Roulement à rotule sur rouleaux
  • Roulement à rouleaux cylindriques
  • Roulement à rouleaux coniques
Une vue rapprochée des réglages du noeud Came-suiveur et un modèle d'ouverture de soupape dans la fenêtre graphique.

Connexion Came–suiveur

La fonctionnalité Came-suiveur est utilisée pour modéliser de façon simplifiée un contact entre la came et son suiveur en appliquant une contrainte bidirectionnelle. Un système came–suiveur est défini par un ensemble de frontières ou d'arêtes suivies par un point. La came peut être définie sur des corps rigides ou élastiques. Les frontières d'une came peuvent donc supporter tout mouvement de corps rigide ou déformation.

Cet outil permet de dessiner n'importe quel profil de came dans la géométrie et d'analyser le mouvement du suiveur en termes de courbes de déplacement, de vitesse et d'accélération. La force de connexion au point de contact peut également être calculée et ainsi, par inspection du signe de la force de connexion, il est possible de prédire un contact intermittent entre la came et le suiveur.

Une vue rapprochée du Constructeur de modèles avec le noeud Composant réduit en surbrillance et un modèle de boîte de vitesses dans la fenêtre graphique.

Sous-structuration dynamique (CMS)

Dans le module Multibody Dynamics, il est possible de construire à partir de composants linéaires des modèles réduits efficaces en termes de ressources de calcul en utilisant la méthode de Craig–Bampton. Ces composants peuvent ensuite être utilisés soit dans un modèle constitué uniquement de modèles réduits, soit combinés avec des modèles éléments finis élastiques non-réduits, ces derniers pouvant être non-linéaires. Cette approche, appelée component mode synthesis ou sous-structuration dynamique, peut améliorer grandement les temps de calcul et réduire significativement la mémoire requise.

Une vue rapprochée du noeud Glissière et un modèle de régulateur centrifuge dans la fenêtre graphique.

Collection de liaisons cinématiques

Le module inclut une collection de liaisons cinématiques prédéfinies pour concevoir des systèmes dynamiques multicorps réalistes. Le mouvement relatif entre les composants interconnectés du système multicorps est contraint en accord avec la liaison. Voici les liaisons cinématiques disponibles:

  • Glissière
  • Pivot
  • Pivot glissant
  • Hélicoïdale
  • Appui plan
  • Rotule
  • Linéaire annulaire
  • Pivot-glissière
  • Fixe
  • Distance imposée
  • Universelle

Des propriétés additionnelles peuvent être appliquées aux liaisons: élasticité, frottements, contraintes (pour limiter l'amplitude du mouvement), et blocage.

Une vue rapprochée des réglages du noeud Engrenage droit et un modèle de train d'engrenages dans la fenêtre graphique.

Collection d'engrenages et de crémaillères

Un ensemble de crémaillères et d'engrenages prédéfinis est inclus pour créer des modèles de systèmes de transmission, avec un grand nombre de pièces mobiles, de façon simple et robuste. C'est une aide pour identifier les paires d'engrenages adéquates en vérifiant le critère d'engrènement est satisfait. Les engrenages peuvent être montés sur un arbre rigide ou flexible, directement ou par l'intermédiaire de bagues et de liaison pivots.

Pour obtenir des systèmes de transmission plus précis et réalistes, il est en outre possible de prendre en compte l'élasticité de l'engrenage, l'erreur de transmission, le jeu et les frottements. Voici les engrenages et crémaillères disponibles:

  • Engrenage droit, externe
  • Engrenage droit, interne
  • Engrenage hélicoïdal, externe
  • Engrenage hélicoïdal, interne
  • Couple conique
  • Engrenage à vis sans fin
  • Crémaillère droite
  • Crémaillère hélicoïdale
Une vue rapprochée des réglages du noeud Contact de corps rigide et un modèle de roulement à rouleaux cylindriques dans la fenêtre graphique.

Contact et frottement entre corps rigides

Pour simuler le contact mécanique entre deux corps rigides, une fonctionnalité de Contact de corps rigide est disponible. Elle permet de modéliser le contact mécanique sans maillage entre des corps rigides de forme standard. Selon la forme des corps constituant la source et la destination, différents types de formulation sont disponibles:

  • Sphérique vers sphérique
  • Sphérique vers cylindrique
  • Sphérique vers plane
  • Sphérique vers arbitraire
  • Cylindrique vers cylindrique
  • Cylindrique vers plane

En plus de ces formulations de contact de corps rigide, une formulation générale est disponible pour le contact distribué entre deux corps parmi lesquels au moins un est flexible.

Une vue rapprochée du Constructeur de modèles avec le noeud Palier hydrodynamique en surbrillance et un modèle de moteur dans la fenêtre graphique.

Paliers hydrodynamiques

Réaliser une analyse multicorps de paliers hydrodynamiques demande un couplage avec l'interface Palier hydrodynamique du module Rotordynamics. L'interface est dédiée à l'analyse du film fluide des paliers hydrodynamiques en 3D via une représentation surfacique. Lorsqu'un modèle comprend à la fois une interface Dynamique multicorps et une interface Palier hydrodynamique, un couplage multiphysique prédéfini, Couplage solide-palier, est disponible et permet de modéliser les paliers lisses suivants dans un système multicorps:

  • Palier lisse
  • Palier elliptique
  • Palier split halves
  • Palier multilobe
  • Palier à patins inclinés
Une vue rapprochée de la Bibliothèque de pièces de COMSOL Multiphysics montrant un exemple de géométrie d'engrenage hélicoïdal.

Bibliothèque de pièces

Le module Multibody Dynamics contient une bibliothèque de pièces géométriques prédéfinies pour créer différents types d'engrenages, disponible en 2D et 3D. Ils peuvent être utilisés pour construire une dent, une roue dentée, un engrenage, ou encore un train d'engrenages. Toutes les géométries d'engrenages sont paramétrées et les paramètres d'entrée peuvent être modifiés pour personnaliser la dent ou la forme de l'engrenage. Pour éviter de construire une géométrie qui ne serait pas valide, une fonctionnalité permet de vérifier la cohérence des paramètres géométriques.

Les engrenages étant décrits de façon purement mathématique, les pièces géométriques sont principalement utilisées à des fins de visualisation. Ils peuvent cependant être utilisés pour des modèles EF détaillés. De la même manière, des pièces paramétrées pour les chaînes à rouleaux et les pignons sont disponibles.

Couplages multiphysiques pour des analyses de dynamique multicorps étendues

Coupler facilement plusieurs phénomènes physiques dans un seul et même environnement logiciel.

Une vue rapprochée d'un modèle de boîte de vitesses montrant l'accélération normale.

Vibroacoustique

Réaliser des analyses multicorps pour calculer les vibrations et le bruit associé.1

Une vue rapprochée de trois modèles d'interrupteurs d'alimentation.

Dispositifs électromécaniques

Simuler la dynamique de corps rigides sous l'influence de forces magnétiques ou de courants induits.2

Une vue rapprochée d'un modèle de frein à disque montrant la température.

Dilatation thermique

Analyser le chauffage dû aux frottements et la dilatation thermique.3

Une vue rapprochée d'un ensemble de rotors avec des engrenages hélicoïdaux.

Dynamique des rotors

Combiner une simulation de paliers avec une simulation multicorps.4

Une vue rapprochée d'un modèle de machine à laver dans la palette de couleurs Spectrum.

Mécanique des structures

Etendre un modèle de dynamique multicorps avec des éléments de mécanique des structures plus généraux pour modéliser, par exemple, des poutres, coques, ou encore des matériaux non linéaires.5

Une vue rapprochée d'un modèle de moteur asynchrone sur lequel on peut voir les contraintes.

Electromagnétisme et vibrations

Simuler les effets électromagnétiques et les vibrations en 2D et 3D.2

Une vue rapprochée d'un mécanisme immergé dans un fluide, sur laquelle on peut voir le champ de vitesse et de pression.

Interaction fluide–multicorps

Modéliser des phénomènes dans lesquels un fluide et un solide rigide ou déformable interagissent.

Une vue rapprochée d'une bielle sur laquelle on peut observer les contraintes.

Fatigue

Réaliser des analyses en fatigue sur les pièces flexibles les plus critiques.6

  1. Nécessite le module Acoustics
  2. Nécessite le module AC/DC
  3. Nécessite le module Heat Transfer
  4. Nécessite le module Rotordynamics
  5. Nécessite le module Structural Mechanics
  6. Nécessite le module Fatigue

Chaque activité et chaque besoin en matière de simulation est unique.

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