1Modlisation de la manuvre d'un robinet soupape

Quelques utilisations du Code_Aster dans le projet NICODEME

David Hersant, Franois Curtit, Marc Berveiller, Franck Meissonnier, J-F Rit

2Plan

Dtermination des efforts fluides

Contribution au projet NICODEME

Calcul dun choc de pression sur un robinet soupape

tude du presse-garniture

tude probabiliste

3Les enjeux des tudes R&D en robinetterie

Environ 10% du cot de Maintenance sur le Parc en 2003.largissement du panel de fournisseurs.Remise en question des gros moyens d'essais.Le projet NICODEME a pour ambition de doter EDF de nouveaux outils pour conserver un bon niveau de qualit des appareils de robinetterie.Premire application sur un robinet soupape de diamtre nominal 50 mm.Plusieurs problmatiques pour le Code_Aster

4Manuvre d'un robinet soupape

Les point-clsPresse-garnitureAccostage sige-clapetcoulement fluide

Effort de manuvre Pression fluide

5La qualification

Consiste vrifierloprabilitltanchit (interne et externe)lintgrit

dun organe de robinetterie sous divers chargements

Elle est ralise exprimentalement par cyclage sur boucleOn se limite ici aux chocs de pression (chocs thermiques prsents en 2006)

6Une comptence numrique dvelopper

Analyse dun dossier prsent par un constructeurNouvel outil d'investigation pour la robinetterie

Mesure des efforts sur la tigeComportement des surfaces de contactsNiveaux de contraintes

Comment simuler un cyclage ?

7La manuvre

Application sur le robinet soupape SJUSSI 050 dj qualifiUn problme complexe

Assemblage boulonnMouvement de tigeFrottementsLiaisons rotulesAccostageContacts multiplesPices non mtalliques

8Modlisation

Estimation de l'ouverture la plus pnalisante en terme d'effortsCalculs fluides (Code_Saturne)Chanage (fichiers MED)Calculs mcaniques

Contacts tige/presse-garnitureSerrages

Calculs des efforts sur la tigeModle simplifi pour les tudes probabilistes

9Apports de la modlisation

Dplacements de la tige compatibles avec l'absence de contacts fortuits observe exprimentalement.Niveaux de contraintes compatible avec la tenue du matrielForce exerce par le servomoteur conforme aux observations.

Rponse au problme de la qualification

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Effet du fluide sur les parties mobiles

Les efforts sont valus l'aide du Code_Saturne.Une validation exprimentale sur maquette a t ralise Chatou en 2006 (MODULAB).Maquette en plexiglas, en eau froide.

Les efforts exercs par le fluide sont mesurs pour diffrents dbits sous la forme d'un torseur appliqu l'extrmit de la tige.

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Mesure d'un torseur d'effort

4 demi-ponts de flexion1 pont de torsion1 pont de traction-compression

Mesure de force et de moment

L'coulement peut tre en conditions cavitantes

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Optimisation de la tige instrumente

Le Code_Aster a servi dimensionner la tige considre comme un capteur

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Les efforts mesurs

L'effort prpondrant est l'effort dirig selon l'axe de la tige.La mesure des efforts dans le sens de l'coulement confirme les ordres de grandeur attendus.Oscillations dans le sens transverse.Les moments sont ngligeables.

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Guidage dune tige de robinet -Modlisation du contact et tude de sensibilitF. CURTIT M. BERVEILLER

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Introduction

Un robinet est un mcanisme compos de plusieurs composants et matriaux dont lassemblage fait intervenir des paramtres de fabrication (tolrances dusinage) et dassemblage (coupe de serrage, positionnement )

Ces paramtres sont sujet une certaine dispersion qui une rpercussion directe sur des paramtres plus mcaniques tels que des pressions de contact, des dplacements, qui vont conditionner le bon fonctionnement et lintgrit du robinet.

Approche probabiliste

Premire application base sur un modle mcanique dterministe simple, mais prenant le contact et un jeu fonctionnel

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Prsentation du modle dterministe simplifi

Ltude est focalise sur la pression de contact entre la tige et la bague de guidage, en fonction du jeu fonctionnel entre la tige et la bague.

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Paramtres du modle dterministe

Faux contact avec la boite (LIAISON_MAIL)Vrai contact avec la tige

Deux description du jeu tige /bague :- Directement dans le maillage- Utilisation de loption DIST_MAIT

lments linaires CUB8Les maillages sont cohrent

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X

Rsultats principaux de ltude dterministe (1)

Une petite dissymtrie des champs (pression, jeu ) est observe dans tous les cas

Le calcul avec dfinition du jeu dans le fichier de commande est plus rapide que si le jeu est dfini dans le maillage (facteur 2)

Lusage dlments linaires savre dlicat pour la modlisation dun contact cylindre/cylindre :- Ncessit de maillage cohrent (mme nombre de face pour les prisme polygonaux mle et femelle)

- Des artfacts sont prvisible dans le cas dun chargement hors du plan de symtrie

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Rsultats principaux de ltude dterministe (2)

-1,E+09

-1,E+09

-1,E+09

-9,E+08

-8,E+08

-7,E+08

-6,E+08

-5,E+08

0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1Jeu (mm)

P

r

e

s

s

i

o

n

m

a

x

(

P

a

)

Calcul de rfrencemaillage fin axialmaillage fin axial et circonfrentielmaillage fin circonfrentiel

Plus le maillage est fin, plus la rponse de la pression de contact en fonction du jeu est fluctuante

-1,E+09

-1,E+09

-1,E+09

-1,E+09

-9,E+08

-8,E+08

-7,E+08

0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1Jeu (mm)

P

r

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x

(

P

a

)

jeu maillagejeu calcul

Les deux hypothses de modlisation du jeu peuvent entraner un cart de la pression de contact de lordre de 10% pour certaines valeurs du jeu

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Etude de sensibilit :Principe de la surface de rponse

Coefficients dterminer

Polynmesde Legendre

VA uniformes sur [-1;1]

Surface de rponse

MatriauChargement

Paramtres dentre

DplacementDformation

Paramtres de sortie

Fonction analytique

Choix de la surface de rponse

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Mthode non intrusive des lments finis stochastiques et analyse de sensibilit

Avantages de la mthode Post-traitement analytique de rsultats de calcul aux lments finis

dterministes : aucune implmentation supplmentaire ncessaire Outil dinterpolation Diffrentes analyses probabilistes directement accessibles

Analyse de fiabilit Analyse de sensibilit

Paramtre Loi Borne infrieure Borne suprieure Module dYoung garniture Uniforme 70 000 MPa 130 000 MPa

Module dYoung bague Uniforme 187 000 MPa 227 000 MPa Module dYoung poutre Uniforme 5 700 MPa 6 300 MPa Module dYoung acier Uniforme 170 000 MPa 230 000 MPa

Chargement Uniforme 8 000 N 12 000 N Jeu Uniforme 0,0 mm 0,1 mm

6 paramtres dentre :

3 paramtres de sortie :- Pression de contact Tige de manuvre / Bague de guidage- Pression de contact Tige / Garniture- Dplacement de lextrmit basse de la tige

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Rsultats de lanalyse de sensibilit

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

Pression Bague Pression garniture Dplacement

JeuChargementYoung acierYoung poutreYoung bagueYoung garniture

Indices de sensibilit : indices de Sobol (Sobol, 1993) Ratio entre la variabilit partielle de la rponse (de chaque

variable dentre) sur la variabilit totale de la rponse

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Quelques dtails pratiques

Pour une analyse de sensibilit, il faut gnralement des polynmes de degr 2.Pour une analyse de fiabilit, il faut gnralement des polynmes de degr 3.

Si plusieurs rponses sont recherches, aucun calcul aux lments finis supplmentaire nest ncessaire

Les rponses doivent tre suffisamment rgulires (utilisation de polynmes pour la surface de rponse)

Implmentation future dans Openturns

Nombre de paramtres d'entre 2 3 4 5 6 7 8 9Nombre d'valuations du modle (degr 2) 6 12 20 30 42 56 72 90Nombre d'valuations du modle (degr 3) 4 11 29 73 177 417 961 2177

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Conclusions

Un tude complte dtude de sensibilit a pu tre conduite sur un modle simplifi de robinet en prenant en compte le contact entre les diffrents lments, ainsi que les jeux fonctionnels du mcanisme.

La premire partie du travail, a permis doptimiser un modle dterministe adapt ltude de sensibilit.

Un certain nombre de questions restent en suspend au sujet de la modlisation du contact :- Origine des variations de pression en fonction du jeu sur un maillage raffin- Possibilit de prendre en compte des conditions de contact avec des lments quadratiques ?

Un analyse de sensibilit est possible avec une quarantaine de calculs dterministes (pour 6 variables dentre)

Lanalyse de sensibilit (ou de fiabilit) est base sur un lissage polynomial. Une rponse fortement fluctuante peut nuire (voir rendre impossible) lanalyse.

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Le mouvement de la tige : contact, frottements, grands dplacements

Franck Meissonnier

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Modlisation du mouvement de la tige au cours dune manuvre douverture/fermeture

Modlisation: 3D Contact avec frottement au niveau de la tige et de la

bague de guidage et des garnitures Grand dplacement (course tige 17mm) Autres sollicitations : thermique, fluide

Rsultats recherchs: Etanchit : Prdiction des pressions de contact aux

interfaces de la garniture Manuvrabilit : effort de frottement sur la tige

But : Faisabilit de ltude oprateurs standard, temps de calcul raisonnables Rsultats qualitativement corrects Comparabilit quantitative : essais boucle, bancs garnitures

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Modlisation simplifie de lensemble tige-garniture

FEM Robinet simplifi

(2577 hexa 1345 quad 4 poutres)

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Conditions aux limites et chargements

volution des chargements imposs

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Modlisation du contact frottant avec la mthode continue dans Code_aster

Le temps CPU nLe temps CPU nLe temps CPU nLe temps CPU ncessaire cessaire cessaire cessaire la rla rla rla rsolution du solution du solution du solution du problproblproblproblme est diminume est diminume est diminume est diminu de moitide moitide moitide moiti avec avec avec avec ITER_FROT_MAXI=3ITER_FROT_MAXI=3ITER_FROT_MAXI=3ITER_FROT_MAXI=3 ((((6h086h086h086h08 contre contre contre contre 12h1012h1012h1012h10avec avec avec avec ITER_FROT_MAXI=10ITER_FROT_MAXI=10ITER_FROT_MAXI=10ITER_FROT_MAXI=10) pour un r) pour un r) pour un r) pour un rsultat sultat sultat sultat quasi identiquequasi identiquequasi identiquequasi identique

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Exemples de rsultats obtenus sur modle simplifi

Ltanchit au niveau des garnitures est assure pendant toute la phase douverture/fermeture et en tout point des garnitures

Les pressions de contact sont axisymtriques en fin de manuvre douverture (influence des pressions exerces par le fluide)

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Effort sur la tige et identification du frottement

Il faut recaler le coeff. de frottement ) 0.03 pour retrouver un effort de frottement de 1400 daN

Effort de manuvre

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En conclusion : le contact frottant en cours de manuvre

est modlisable dans Aster avec la mthode continue pour un temps de calcul acceptable de 6 12 h

Bien dimensionner le paramtre ITER_FROT_MAXI on estime correctement ltanchit des garnitures au cours de la manuvre partir des pressions de contact on doit recaler le coefficient de frottement tige bague une valeur trs faible pour retrouver un effort raliste

Reprendre peut-tre le serrage Reprendre srement le comportement graphite

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Perspectives 1 : intgration et nouveau robinet

Intgrations Chargement du fluide + sensibilit

sur modle 3D + Contact frottant + Grands dplacements (si calcul fluide)

Post 2008 : plus de modularit ? Montages exprimentaux

Cas de robinet jamais essay Plus gros Guidage obturateur PG allg

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Perspectives 2 : autres dveloppements avec Code_Aster

Comportement des pices en graphite

Matriau poreux compressible ~ sols

Difficilement accessible une autre chelle que la pice

Phase daccostage dimensionnement actionneur tablissement et maintien de

ltanchit