GéGémag._{^Formula One}l'Univers de la Formule1 

Calcul de structures

La formule 1 fait appel à des technologies de pointe. Pour créer et mettre au point ces technologies elle se dote des outils les plus perfectionnés et performants de l’industrie. Une partie de ces outils sont les outils informatiques.

La CAO n’est pas récente en F1, la simulation numérique l’est elle un peu plus. Ces outils permettent d’optimiser les “performances” des pièces, de réduire leurs temps de développement et bien sûr de réduire les coûts.

Les logiciels de calcul de structures sont les plus répandus et les plus utilisés. Ils sont utilisés pour dimensionner et optimiser les pièces mécaniques. Très concrètement, dimensionner consiste à vérifier (par calcul) que la pièce dessinée ne va pas casser en fonctionnement. Optimiser, c’est améliorer des caractéristiques mécaniques de la pièce qui semblent s’opposer. En F1 c’est bien souvent rendre une pièce la plus résistante possible tout en étant la plus légère possible. Certains vont se demander “comment peut on rendre une pièce plus résistante tout en enlevant de la matière !”. C’est là tout l’art des ingénieurs ! La résistance d’une pièce n’est pas définie par la quantité de matière qui la compose mais par la répartition dans l’espace de celle-ci.

Prenons un exemple simple. Imaginons que vous devez optimiser le quotient masse/résistance d’une pièce travaillant en flexion pure. La solution la plus simple est de modifier la section de votre pièce pour que cette section ait un moment quadratique le plus important possible. Ca, c’est le cas le plus simple que l’on puisse rencontrer.

La flèche s d’une poutre en flexion pure s’écrit :

Avec s la flèche, l la longueur de la poutre, F la force appliquée sur la poutre, E le module de Young et Ia le moment quadratique de la section.

Ainsi une poutre ayant une section en I est particulièrement adaptée à la flexion car elle a un quotient moment quadratique de section sur masse de structure très important.

Dimensionner une pièce est en théorie assez simple. En effet, il suffit que la contrainte maximale dans la pièce soit inférieure à la limite élastique du matériau qui la constitue. Malheureusement dans la pratique c’est loin d’être aussi simple.

Déterminer le champ de contrainte interne dans la pièce est la première difficulté rencontrée. Alors que pour une géométrie simple (poutre en flexion) la mécanique des milieux continus permet de faire ce calcul simplement, cela est impossible dans le cas des pièces complexes. De plus il faut prendre en compte la température de fonctionnement de la pièce mais aussi le phénomène de fatigue. C’est la qu’entrent en jeu les logiciels de calcul de structures.

Pour comprendre le fonctionnement de ces logiciels prennons un exemple :

D’abord on commence par créer sa pièce sur un logiciel de CAO classique.

La seconde étape est ce qu’on appelle le maillage de la pièce. C’est tout simplement une discrétisation de la pièce en milliers de petites pyramides.

La troisième étape est la mise en place des conditions aux limites. Elles décrivent les contraintes cinématiques, mécaniques et thermiques auxquelles est soumise la pièce.

La quatrième étape correspond tout simplement au calcul. En fonction du nombre d’éléments qui constituent le maillage (un élément = une pyramide) le calcul peut durer de quelques heures à plusieurs jours.

La dernière étape est l’analyse des résultats. Le programme donne une masse conséquente de données mais les plus importantes sont le champ de contraintes et de déformations. C’est à partir de toutes ces informations et de leur analyse que l’ingénieur va décider d’enlever de la matière à un endroit où elle n’est pas nécessaire et d’en rajouter là où ça l’est.

Ce type d’outils permet d’optimiser les pièces au maximum en multipliant les essais virtuellement. Bien évidement il n’est pas possible de reproduire tous les phénomènes entrant en jeu dans le fonctionnement d’une pièce. La simulation n’est donc pas suffisante pour dimensionner et valider une pièce il est donc nécessaire de réaliser des tests “grandeur nature”.

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