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> étude de cas - PSA Peugeot Citroën

PSA Peugeot Citroën utilise nCode DesignLife pour étudier et prédire la tenue en fatigue de composants et sous-systèmes automobiles

Les automobiles sont soumises à d'énormes charges et à de rudes conditions d'utilisation au quotidien. Même dans les pires conditions de conduite et sur de mauvaises chaussées, tous les composants et sous-systèmes du véhicule doivent fonctionner correctement en toute fiabilité. Tous les jours, les constructeurs automobiles doivent relever le défi qui consiste à concevoir des voitures pouvant résister à tous les cas d'utilisation possibles tout au long de la vie du produit. Il est donc très important de prédire et de tester la tenue à la fatigue des systèmes et composants du véhicule afin d'améliorer la qualité, d'éviter les défaillances et de réduire les coûts de garantie. Pour l'aider dans ces investigations, PSA Peugeot Citroën utilise le logiciel nCode DesignLife par HBM pour l'analyse de la fatigue dans ses processus de développement. PSA Peugeot Citroën, avec ses deux marques bien connues Peugeot et Citroën, est un constructeur automobile de renommée mondiale. Avec des activités dans 150 pays, l'entreprise étend activement ses ventes dans de nouveaux marchés à forte croissance. PSA Peugeot Citroën montre un engagement incessant à innover dans les domaines de la sécurité et de la protection de l'environnement afin de développer et de construire des automobiles répondant aux exigences élevées des clients de Peugeot et Citroën dans le monde entier. Dans le département d'ingénierie numérique de PSA, appelé « Calcul et Ingénierie Numérique » (CINM), plusieurs équipes sont là pour développer des méthodologies, effectuer des calculs et valider des résultats pour le groupe motopropulseur et la suspension. Dans ce cadre, les ingénieurs de PSA traitent également des études de tenue à la fatigue réalisées à l'aide de nCode DesignLife. Ces simulations permettent aux équipes de prédire la tenue à la fatigue à partir de résultats issus d'une analyse par éléments finis, ce qui les aide à répondre à des questions telles que « Combien de temps tiendra-t-il ? » ou « Réussira-t-il le test ? » avant même de construire un prototype physique.

Évaluations de la fatigue chez PSA Peugeot Citroën

Maillage et chargements appliqués au berceau-moteur

Auparavant, dans les départements liés aux groupes motopropulseurs et aux suspensions, les ingénieurs utilisaient un code de fatigue interne, PSA-Fatig, qui se base sur le critère de Dang Van, une méthode pour prédire les limites de fatigue dans des situations de charge complexes. Le critère de Dang Van est classé dans les méthodes « micro-structurelles » car il considère les contraintes et l'amorçage de fissures sur le plan local. Contrairement à d'autres méthodes, le résultat de l'analyse est toujours exprimé comme un coefficient de sécurité. Pour rationaliser encore plus son processus de développement, PSA a recherché des progiciels de fatigue qui incluaient l'approche par le critère de Dang Van pour valider la résistance à la fatigue ainsi que d'autres fonctions intéressantes telles que des approches éprouvées de la fatigue à durée de vie finie, une interface utilisateur avancée et la possibilité de créer de nouvelles méthodes avec des scripts. Comme toutes les validations de PSA pour la résistance à la fatigue reposent sur le critère de Dang Van, il était essentiel que l’outil sélectionné couvre cette approche afin de gagner du temps et de l'argent dans le processus de développement. Après avoir évalué attentivement nCode DesignLife, en le comparant notamment à PSA-Fatig, PSA a choisi nCode pour gérer l'analyse de fatigue dans le développement de ses groupes motopropulseurs et ses suspensions. Outre les scripts et les fonctions de l'interface proposés dans nCode, les ingénieurs de PSA ont également apprécié la possibilité d'importer des résultats d'éléments finis depuis Abaqus (Dassault Systèmes) et Nastran (MSC.Software). Le logiciel nCode est mis en œuvre sur des pièces volumineuses pour le développement du groupe motopropulseur et sur des pièces en tôle de la suspension, notamment pour étudier des cordons de soudure ainsi que des soudures par points. HBM-nCode, éditeur de nCode DesignLife, a donné des formations et fourni une assistance aux ingénieurs de PSA tout au long de la phase d'implémentation et a travaillé avec PSA afin de configurer le logiciel en fonction des besoins spécifiques.

DesignLife dans le processus de développement

Fig. 3: Analyse de fatigue d’un berceau-moteur avec nCode DesignLife et le critère de Dang Van, résultats pour une tôle simple
Fig. 4: Analyse de fatigue d’un berceau-moteur avec nCode DesignLife et le critère de Dang Van, résultats pour des soudures électriques par points (PSE)

L'objectif d'une étude de la tenue à la fatigue est d'évaluer la résistance à la fatigue de pièces de composants. Si un calcul montre que la résistance à la fatigue ne peut pas être garantie, il faut alors modifier la géométrie de la pièce jusqu'à ce que ce critère soit satisfait. Une étude type consiste à charger des résultats (contraintes) d'une analyse par éléments finis (par ex. depuis Abaqus ou Nastran), à appliquer certaines conditions de chargement et à réaliser l'analyse de fatigue en elle-même (avec le critère de Dang Van ou un autre). Les résultats, tels que des cartographies de facteurs de danger, sont ensuite affichés. Les résultats de l'analyse de fatigue sont inscrits dans un fichier qui peut ensuite être chargé dans le logiciel de post-traitement standard de PSA, HyperView d'Altair Engineering. L'exemple suivant montre une évaluation de fatigue d'un berceau-moteur. Une analyse par éléments finis a été effectuée avec Abaqus. Plusieurs charges représentant un cycle de charge ont été appliquées sur le berceau. Au cours de l'étape suivante, les résultats des éléments finis sont chargés dans nCode DesignLife (via le glyphe Entrée EF) et sont envoyés au glyphe d'analyse de fatigue (Dang Van). L'utilisateur définit ensuite les paramètres des matériaux selon le critère de Dang Van (paramètres HSS et TAFE). Les résultats apparaissent alors sur le glyphe Afficheur EF et sont inscrits dans un fichier. Cette analyse peut aussi bien être effectuée sur les tôles métalliques (Fig. 3) que sur les soudures par points (Fig. 4). Pour les soudures électriques par points (PSE), HBM-nCode a implémenté un traitement spécifique dans le glyphe Dang Van comme l'a demandé PSA. Cette personnalisation permet à PSA d'effectuer le même type de calcul qu'avec PSA-Fatig. Le modèle EF des soudures électriques par points utilise des éléments poutre et, dans ce cas, les données entrées dans nCode DesignLife (glyphe Entrée EF) sont les forces exprimées en nœuds des éléments poutre. Le traitement spécifique implémenté dans le logiciel in nCode permet de convertir ces forces en contraintes autour des soudures par points, ce qui permet de calculer le critère de Dang Van.

Avantages, conclusions et perspective

PSA Peugeot Citroën a franchi une étape importante dans son processus de développement en utilisant nCode DesignLife pour les évaluations de la fatigue. En implémentant de nouveaux critères d'analyse de fatigue, PSA est désormais en mesure de développer de nouvelles méthodologies, de réduire les essais physiques et d'obtenir des résultats plus précis. Les processus de développement vont ainsi devenir plus rentables et moins chronophages.

En outre, les ingénieurs de PSA peuvent ainsi effectuer plus d'études numériques afin de mieux déterminer les modifications de design requises pour obtenir les performances visées du composant. Ils sont également en mesure de gérer des évaluations de différentes tailles et étendues, ce qui permet d'obtenir des analyses plus solides, visionnaires et adaptables aux spécifications requises pour différentes applications (fatigue en vibration, matériaux composites…). PSA prévoit de remplacer PSA-Fatig par nCode DesignLife dans toutes ses divisions effectuant des évaluations de fatigue, pour des applications allant du groupe motopropulseur à l'ensemble de la caisse.

« Outre le fait de pouvoir utiliser le critère de Dang Van et les autres possibilités d’analyse de fatigue qu’offre nCode DesignLife, nous apprécions particulièrement l’interface utilisateur du logiciel et son fonctionnement basé sur des processus prédéfinis appelés glyphes.  Nous aimons également la fonctionnalité des scripts qui nous permet de créer des analyses plus personnalisables. »

-Philippe Bristiel, Docteur en ingénierie mécanique, responsable du support et du développement de méthodologies pour l’analyse de fatigue et l’optimisation structurelle chez PSA Peugeot Citroën.

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