Code_Aster éléments finis Manuel utilisateur

Code_Aster
Titre : Notice d'utilisation sur le choix des éléments fin[...]
Responsable : Sylvie MICHEL-PONNELLE
Version
default
Date : 05/05/2009 Page : 1/6
Clé : U2.01.10
Révision : 1252
Notice d'utilisation sur le choix des éléments finis
Résumé :
Ce document a pour but de donner quelques informations sur le choix des éléments finis et leur modélisation
associée dans le cas d’études thermiques, thermo-mécaniques ou mécaniques non-linéaires. Il s’agit en
quelque sorte, de proposer à l’utilisateur un choix a priori, permettant d’éviter certaines erreurs courantes. En
cas de difficultés particulières, d’autres choix pourront être faits.
Manuel d'utilisation
Document diffusé sous licence GNU FDL (http://www.gnu.org/copyleft/fdl.html)
Fascicule u2.01 : Notions générales
Code_Aster
Titre : Notice d'utilisation sur le choix des éléments fin[...]
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Date : 05/05/2009 Page : 2/6
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Introduction
On donne dans ce document les choix a priori qui peuvent être faits concernant les éléments finis. On
s’est placé dans le cas d’un chaînage thermo-mécanique mais les conseils sont valables sur des
calculs non chaînés thermiques ou mécaniques (linéaires ou non). Une justification rapide est donnée.
Pour plus de détails sur la justification de ces choix, l’utilisateur pourra se reporter aux documents R de
Code_Aster ainsi qu’à la note H [bib1].
2
Choix à priori
2.1
Le maillage
Les éléments peuvent être indifféremment :
•
•
des éléments triangulaires ou des quadrangles en 2D,
des tétraèdres ou des hexaèdres en 3D.
En effet, contrairement à l’idée souvent répandue, les éléments de type triangle ou tétraèdre donnent
de bons résultats, même en plasticité, à condition bien sûr de ne pas utiliser un maillage trop
grossier. L’avantage de cette famille d’éléments, c’est qu’elle permet d’utiliser le logiciel HOMARD qui
réalise l'adaptation de maillages 2D/3D pour éléments finis de type triangulaire ou tétraédrique par
raffinement et déraffinement. On peut ainsi obtenir le maillage optimum en fonction d’un indicateur
d’erreur (cf. [R4.10.01], [R4.10.02], [R4.10.03], ou le cas test TPLL01j [V4.02.01] pour une
démonstration) par appel à la commande MACR_ADAP_MAIL dans le fichier de commande Aster.
En revanche, il est conseillé d’utiliser :
•
•
des éléments linéaires en thermique pour les calculs chaînés et les calculs de thermique
transitoire rapide. Pour les autres cas, on peut aussi opter pour des éléments quadratiques,
des éléments quadratiques en mécanique.
Ce choix est d’autant plus important lorsqu’on réalise des calculs chaînés thermiques puis
mécaniques. Il faut alors utiliser deux maillages différents pour la thermique et la mécanique. Deux
stratégies sont alors possibles :
•
•
soit mailler indépendamment la structure pour le calcul thermique et pour le calcul mécanique
soit réaliser un maillage avec des éléments linéaires puis le transformer en maillage
quadratique grâce à la commande CREA_MAILLAGE, mot-clé facteur LINE_QUAD.
Quelle que soit la méthode choisie, on peut optimiser chaque maillage séparément avec Homard grâce
aux indicateurs d’erreur thermiques et mécaniques disponibles dans Aster (cf. cas-test forma05b
[V6.03.120]).
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Date : 05/05/2009 Page : 3/6
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Remarques :
1)
2)
2.2
Cette remarque s’adresse aux utilisateurs de GIBI qui avaient l’habitude de mailler leurs
structures avec des quadrangles ou des cubes et qui souhaiteraient « basculer » leur
maillage vers des triangles ou des tétraèdres.
En général, pour mailler avec des tétraèdres au lieu de cubes, il ne suffit pas de changer
dans le fichier de commande OPTI DIME 3 ELEM CU20 par OPTI DIME 3 ELEM TE10.
En effet, un certain nombre de commandes GIBI sont spécifiques aux cubes et ne
fonctionnent pas pour mailler une structure avec des tétraèdres (ou ne donnent pas le
résultat escompté). L’utilisateur peut donc être tenté de garder son fichier de commande
initial et d’utiliser à la fin du processus de création de maillage la commande CHAN TET4
pour faire le basculement.
Par expérience, nous déconseillons aux utilisateurs de faire ce choix pour plusieurs
raisons. Tout d’abord, sur certains maillages, on a observé une non-convergence de la
solution lorsqu’on utilisait un maillage de plus en plus fin obtenu par cette méthode. En
plus, le changement n’est effectif que sur le volume : les mailles surfaciques sont
toujours des quadrangles ce qui pose problème pour imposer les conditions aux limites
dans Aster. Enfin, pour mailler avec des TETRA10, il est nécessaire de passer par
l’étape TETRA4 puis de faire CHAN QUADRATIQUE. Or ce changement pose problème
pour les SEG2.
En conséquence, avec GIBI, il est important de mailler directement la structure avec les
bons éléments quitte à devoir réécrire son fichier de commande. On signale également,
que dans certains cas, GIBI n’arrive pas à mailler avec des tétraèdres lorsqu’on
demande un raffinement important. Il suffit alors de mailler grossièrement, puis de raffiner
le maillage de façon uniforme ou non avec le logiciel Homard.
On rappelle ici que toutes les grandeurs de type contrainte ou déformation sont calculées
aux points de Gauss, et que tout passage aux nœuds entraîne un biais. Cela est d’autant
plus vrai lorsqu’on cherche ensuite à calculer des normes ; nous avons ainsi remarqué
que les tétraèdres étaient plus sensibles que les hexaèdres à la méthode de calcul des
contraintes équivalentes par exemple. Il faut donc avoir un œil encore plus critique sur
les résultats calculés aux nœuds.
La modélisation
Que ce soit pour la résolution des problèmes thermiques ou mécaniques, plusieurs modélisations sont
disponibles dans Aster. Ces différentes modélisations peuvent se distinguer par le nombre ou le type
de degrés de liberté, le nombre de points d’intégration, des traitements particuliers… En fonction du
calcul réalisé, certaines sont bien sûr plus adaptées que d’autres.
2.2.1
En thermique
Pour faire du calcul thermique dans Aster, deux types de modélisations sont accessibles ([U3.23.01],
[U3.24.01], [R3.06.02], [R3.06.07]) :
•
•
les éléments finis classiques : modélisation 3D, AXIS ou PLAN
les éléments finis lumpés ou diagonalisés : modélisation 3D_DIAG, AXIS_DIAG ou
PLAN_DIAG
Nous proposons comme choix par défaut :
modélisation XXXX_DIAG avec éléments linéaires
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Justification
En thermique, le pas de temps  t ne peut être quelconque, il doit vérifier une condition
 t min  t t max ,  t min et  t max dépendant des propriétés matériaux, de la taille des
éléments finis et des paramètres d’intégration temporelle (cf. [R3.06.07]).
Dans le cas de problèmes de thermique transitoires rapides, on peut être amené à utiliser un pas de
temps trop petit. On peut alors observer des oscillations de la solution et des températures non
physiques dues à la violation du principe du maximum (température supérieure à la température initiale
d’une pièce qu’on refroidit). La modélisation DIAG, qui consiste à diagonaliser la matrice de masse,
permet de s’affranchir de la condition sur  t min et d’éviter les problèmes associés.
Notons cependant que cette diagonalisation ne suffit pas pour supprimer les oscillations avec des
éléments quadratiques. Toutefois, dans Aster, un traitement particulier est fait pour les éléments 2D :
les triangles sont automatiquement coupés en éléments finis linéaires qui sont eux-mêmes lumpés.
2.2.2
En mécanique
Trois types de modélisations sont disponibles pour résoudre des problèmes de mécanique non-linéaire
utilisant des lois de comportement « classiques » (du type élasto-plasticité) :
•
•
•
les éléments finis classiques isoparamétriques : 3D, D_PLAN, C_PLAN, AXIS ([U3.14.01],
[U3.13.01]),
les éléments sous-intégrés : 3D_SI, D_PLAN_SI, C_PLAN_SI, AXIS_SI ([U3.14.01],
[U3.13.05]),
les éléments s’appuyant sur une formulation quasi-incompressible : 3D_INCO,
D_PLAN_INCO, AXIS_INCO ([U3.14.06], [U3.13.07], [R3.06.08]).
Nous proposons comme choix à priori d’utiliser :
des éléments quadratiques
En ce qui concerne le choix de la modélisation, il est fonction du type d’éléments et du besoin de traiter
la condition d’incompressibilité. Ces considérations sont résumées dans le tableau ci-dessous.
normal
quasi-incompressible (forte
plasticité ou  >0.45)
triangles/tétraèdres
standard
INCO
quadrilatères/hexaèdres
SI
SI ou INCO
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Justifications et précautions :
•
Si le matériau est quasi-incompressible (  > 0.45), il est préférable d’utiliser la formulation
INCO, car la formulation standard en déplacement ne donne pas de bons résultats.
L’écoulement plastique se fait à volume constant. Cette condition d’incompressibilité peut
provoquer des difficultés avec la modélisation classique à savoir un comportement trop rigide
et surtout l’apparition d’oscillations au niveau des contraintes. La sous-intégration permet
d’améliorer ces problèmes, car on vérifie alors la condition d’incompressibilité en moins de
points de Gauss. Toutefois, seuls les élements QUAD8 et HEXA20 sont réellement
sous-intégrés, pour les autres mailles, c’est l’intégration classique qui est conservée. En
conséquence, lorsque des phénomènes d’oscillations sont observés pour un maillage
composés de triangles ou de tétraèdres, il est préférable d’utiliser la formulation INCO. Ceci
améliore nettement les résultat mais les calculs seront plus longs.
Dans le cas général, la modélisation sous-intégrée donne d’aussi bon résultats que les
éléments finis classiques, et ceci pour un temps de calcul plus rapide puisqu’on utilise moins
de points de Gauss. En plus dans le cas de calculs thermo-mécaniques, cela permet de
limiter les difficultés lors du passage de la déformation d’origine thermique au calcul
mécanique quand les raffinements des maillages thermique et mécanique diffèrent. Toutefois,
la sous-intégration peut parfois conduire à l’apparition de modes parasites. Si à l’issue du
calcul la déformée présente ce genre de modes de déformation non physiques, il vaut mieux
faire le calcul avec la modélisation classique ou quasi-incompressible si les niveaux de
plasticité sont très importants.
•
•
3
Mise en œuvre Aster
On rappelle ici les principales étapes du calcul Aster dans le cas d’un calcul en déformations planes,
en précisant explicitement où interviennent les spécifications dont on a parlé. Pour la partie
mécanique, on a écrit en gras ce qui est spécifique au cas d’un calcul thermo-mécanique.
3.1
Etude Thermique
•
Lecture du maillage thermique
PRE_GIBI(UNITE_GIBI=19,
UNITE_MAILLAGE=20,)
MA=LIRE_MAILLAGE(UNITE=20,)
•
PRE_GMSH(UNITE_GMSH=19,
UNITE_MAILLAGE=20,)
MA=LIRE_MAILLAGE(UNITE=20,)
Choix du modèle thermique
MOTH2D=AFFE_MODELE(MAILLAGE=MA,
VERIF='MAILLE',
AFFE=_F(GROUP_MA= (‘GMA1’,’GMA2’,…),
PHENOMENE='THERMIQUE',
MODELISATION='PLAN_DIAG',),)
•
Propriétés thermiques du matériau
•
Chargement thermique
•
THER_LINEAIRE ou THER_NON_LINE
THER = …
•
Post traitements éventuels
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Etude mécanique
•
Lecture maillage mécanique
PRE_GIBI() ou PRE_GMSH()
MAME=LIRE_MAILLAGE()
MAME=CREA_MAILLAGE(
MAILLAGE = MA,
LINE_QUAD=_F(TOUT=’OUI’))
•
Définition du modèle mécanique
MOME=AFFE_MODELE(MAILLAGE=MAME,
VERIF='MAILLE',
AFFE=_F(GROUP_MA= (‘GMA1’,’GMA2’,…),
PHENOMENE='MECANIQUE',
MODELISATION='D_PLAN_SI',),);
•
Projection du calcul thermique si calcul chaîné sur 2 maillages différents
CHTHER=PROJ_CHAMP(METHODE='ELEM',
RESULTAT=THER,
MODELE_1=MOTH2D,
MODELE_2=MOME,);
•
Caractéristiques mécaniques du matériau
…
CHMAT = AFFE_MATERIAU(MAILLAGE = MAME,
AFFE = F(TEMP_REF = 20., …)
•
Chargement mécanique et thermique
CLIM=AFFE_CHAR_MECA(MODELE=MOME,
TEMP_CALCULEE=CHTHER ou THER si pas de projection,
DDL_IMPO=(…),
…);
4
•
STAT_NON_LINE
•
Post-traitements
Bibliographie
1)
S. MICHEL-PONNELLE, A. RAZAKANAIVO : Qualité des Etudes en Mécanique des Solides :
étude des éléments finis. Note EDF HT-64/02/007/B
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