Un professeur de l’Université Concordia s’attaque à un défi d’ingénierie vieux de plusieurs décennies grâce à un nouveau cadre de modélisation 3D
Un trou dans l’essieu d’un véhicule ou une rainure sur une pièce d’avion ou de machine peuvent sembler insignifiants. Mais lorsqu’ils sont soumis à des forces répétées, ces petits défauts peuvent devenir des points de forte contrainte où des dommages apparaissent et où des fissures se forment.
Un chercheur de l’Université Concordia a mis au point une méthode plus rapide pour prédire ce qui se produit sous la surface des pièces métalliques, là où les fissures sont le plus susceptibles d’apparaître, résolvant ainsi un problème de longue date dans le domaine de l’ingénierie de la fatigue.
Ayhan Ince, professeur au Département de génie mécanique, industriel et aérospatial de l’École de génie et d’informatique Gina-Cody de l’Université Concordia, a élaboré un nouveau cadre de modélisation tridimensionnelle (3D) afin de mieux comprendre ce qui se passe à l’intérieur du métal qui entoure ces zones vulnérables.
Dans la comparaison informatique réalisée durant cette étude, qui portait sur une barre d’acier entaillée relativement simple, la nouvelle méthode a effectué ses calculs en 4,5 minutes, contre 28 minutes pour une simulation non linéaire plus détaillée tenant compte de la déformation permanente, ce qui la rend environ six fois plus rapide. Étant donné que les simulations non linéaires complètes deviennent de plus en plus exigeantes à mesure que la taille des modèles d’ingénierie et la complexité des charges augmentent, le Pr Ince s’attend à ce que ce cadre offre une efficacité de calcul encore meilleure pour les composants d’ingénierie de grande taille.
Cette avancée pourrait aider les chercheurs à élaborer des modèles plus précis permettant de comprendre plus rapidement comment les dommages s’accumulent dans les pièces mécaniques. Selon eux, les ingénieurs pourraient à terme utiliser de tels modèles pour accélérer l’évaluation de la durabilité et améliorer la conception des composants dans des secteurs allant de la construction automobile à l’aérospatiale.
Voir au-delà de la surface
Les composants mécaniques sont constamment soumis à des forces susceptibles d’affaiblir progressivement les zones les plus sollicitées, telles qu’un trou, une rainure ou une transition géométrique. Cependant, l’apparition de dommages et la propagation des fissures dépendent de la manière dont la déformation du matériau évolue dans le volume de matière environnant ces zones critiques.
Un essieu de véhicule, par exemple, peut être soumis à des forces de traction, de compression, de flexion et de torsion, parfois simultanément. Au fil de milliers, voire de millions de cycles, ces forces peuvent entraîner des dommages liés à la fatigue et, à terme, la formation de fissures.
Durant des décennies, les chercheurs ont conçu des méthodes efficaces pour calculer le comportement des matériaux au niveau des points vulnérables, tels que les trous et les rainures. Mais ces méthodes simplifiées ne permettaient de prédire que ce qui se passait en surface.
Des simulations informatiques non linéaires détaillées peuvent montrer ce qui se produit à l’intérieur du matériau environnant, mais elles nécessitent une puissance de calcul considérable, en particulier lorsqu’il s’agit de modéliser de nombreux scénarios de charge, choix de matériaux ou variantes de conception.
Ayhan Ince a surmonté cet obstacle en intégrant plusieurs modèles mécaniques dans un nouveau cadre permettant de calculer efficacement la répartition des forces et la déformation du métal dans toute la région tridimensionnelle proche des zones critiques, même lorsque plusieurs types de charges agissent conjointement et évoluent au fil du temps.
Cette étude représente « une contribution importante à l’analyse avancée des entailles », déclare Daniel Kujawski, chercheur en génie mécanique à la Western Michigan University, qui examine comment les matériaux s’endommagent et se fissurent sous l’effet de forces répétées.
Selon le Pr Kujawski, qui n’a pas participé à l’étude, la méthode « constitue un pont potentiel » entre les calculs axés sur des points isolés et les évaluations qui tiennent compte des dommages dans l’ensemble du matériau environnant. Elle pourrait à terme aider les ingénieurs à évaluer la durée de vie des composants et à repérer les endroits où des fissures pourraient apparaître ou se propager.
Ayhan Ince : « Ces travaux constituent une avancée majeure en mécanique computationnelle. »
D’autres validations à venir
« Ces travaux constituent une avancée majeure en mécanique computationnelle, car ils élucident un problème de prédiction 3D de terrain que les chercheurs tentent de résoudre depuis des décennies, explique Ayhan Ince, mais il reste encore du travail à accomplir. »
Jusqu’à présent, l’équipe de recherche a comparé son cadre théorique à des simulations informatiques non linéaires détaillées portant sur un matériau en acier et une barre entaillée soumis à trois types de charge. Elle prévoit ensuite étudier d’autres matériaux et géométries, puis valider ses prédictions par des expériences physiques.
Ces essais permettront de déterminer dans quelle mesure la méthode peut être appliquée à des composants d’ingénierie réels, précise le Pr Ince.
Près de deux décennies de recherches préliminaires
L’intérêt d’Ayhan Ince pour ce problème est né alors qu’il travaillait dans l’industrie automobile, notamment chez General Dynamics Land Systems-Canada.
Il évaluait la durabilité de composants tels que les essieux, les systèmes de suspension et les supports structuraux, pour lesquels les conditions de charge complexes rendaient la prévision des dommages particulièrement difficile.
Tout en travaillant à temps plein, il a poursuivi un doctorat à l’Université de Waterloo sous la direction de Grzegorz Glinka, coauteur de l’étude. Les travaux de thèse d’Ayhan Ince, achevés en 2012, ont jeté les bases des méthodes qu’il n’a cessé de perfectionner tout au long de sa carrière universitaire.
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