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FEM sous FreeCad - déformation miroir/barillet - un peu de flex'


Alk
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Bonsoir !

 

Je n'ai pas trouvé ce qui est décrit en titre sur le forum. Il semblerait que les utilisateurs de FreeCad sur le forum ne s'en servent que pour modéliser la forme des pièces (ce qui est déjà super !). Avec l'atelier FEM (Finite Element Method) de FreeCad il est possible de modéliser la déformation des dites pièces sous différentes formes de contraintes. Des forces sur des faces, le poids des pièces ou même des gradients de température ou des stresses électrostatiques. La simulation thermique devrait plaire à ceux qui refusent d'observer sans une mise en température de 12h minimum. Pour un astro-amateur bricoleur comme moi, cet atelier ne demande qu'un peu de temps libre pour être utilisé à des fins de bricolages astro.

 

Le Stock que j'ai construit se base sur le barillet d'origine ultra fin  à 9 points optimisé en 2D sur PLOP si j'ai bonne mémoire. Je me suis dit qu'il pourrait être intéressant d'avoir un modèle 3D à partir d'un autre logiciel. J'ai ajouté au miroir les plots de contacts et les triangles en acier.

 

image.png.12e9a3ab6fdb4b378c7f68f379dca20a.png

Capture d'écran d'une vue du résultat du calcul FEM sous FreeCad 0.18.

 

Sur l'image ci-dessus, on trouve 3 types de pièces :
-  L
e miroir (grand cylindre). Celui ci est en BK7, j'ai pris des valeurs mécaniques génériques.

-  Les 3 triangles en acier (propriétés prises au pif dans la liste des aciers de FreeCad car je n'en sais rien) Ces triangles ont un point "fixe" là où ils sont en contact avec le reste du télescope. Ce point est marqué en rouge sur chacun d'eux.

-  3 plots de contact par triangle pour soutenir le miroir. Ces plots sont en un thermoplastique de pistolet à colle chaude. Sans doute à base d'un mix d'EVA et d'autres polymères. Pour les propriétés physiques exactes on repassera. Malheureusement, c'est ce que j'ai pour de vrai actuellement sous mon miroir... C'était un essai.

 

J'ai sans doute eu un problème de modélisation car le miroir n'est pas bien réparti entre les 3 triangles. La gravité tire le miroir vers -Z. Le gradient de couleur trahi un déséquilibre. Bleu = s'enfonce vers -Z, vert = ne bouge pas selon Z, rouge = remonte dans la direction opposée au poids (+Z). Ainsi, sur cette image, soit j'ai mal placé/formé mes triangles (ce qui est possible), soit j'ai mal renseigné un des matériaux sur un coté.

 

Dans tous les cas, ce poste est là pour partager avec vous cette possibilité de modélisation 3D sous FreeCad. Un jour, on verra peut etre des gens le faire sur le secondaire en modélisant la déformation thermique du silicone d'aquarium. Ou la flexion des tubes en carbone entre le pointage Zénith et Horizon. Associez cela à la renaissance du module optique rayTracing de FreeCad, et vous pourrez peut être même reproduire un test de Foucault dans FreeCad sur un miroir dans son barillet, ou sur un miroir soumis à l'expansion thermique.

 

Et pour finir ce poste, voici un gif d'un miroir fictif en BK7 d'1cm d'épaisseur soutenu par 3 points. La déformation du miroir a été exagérée d'un facteur astronomique pour qu'on voit quelque chose. Notez que les couleurs sont inversées par rapport à l'image du dessus. Rouge = s'enfonce vers -Z.

 

ezgif-2-034501a5326e.gif.b3555531aa32a437ab756654682eee85.gif

Exagération d'une déformation sur un barillet 3 points. FEM sous FreeCad 0.18.

 

Edited by Alk
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Le problème ici est de retranscrire ces déformations physiques en déformation du front d'onde car ce n'est pas juste une galette de verre c'est aussi un miroir réfléchissant capable de produire une image. Il faut donc déterminer la valeur RMS des mesures du PtV à la surface du miroir mais ça Freecad ne le fait pas donc je ne vois pas vraiment quelles interprétations tu peux en faire ici ...

Edited by LH44
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LH44, merci pour ta réponse !

 

La galette de verre modélisée ici a une surface supérieure non plane. En réalité, il s'agit d'un miroir sphérique avec une focale de 1200mm. Je ne suis pas allé jusqu'à retirer la paraboloïde de révolution pour obtenir un vrai miroir parabolique pour cet essai.

 

J'imagine que lire la position de points sur la surface du miroir permet d'obtenir le point le plus haut et le point le plus bas. Je ne sais pas encore le faire. Si un membre a déjà un script python ou autre pour extraire les positions des points de la surface je suis preneur ! Dans cet exemple, FreeCad m'indiquait que le miroir s'était déplacé de 30µm en moyenne. Ce qui correspond surement en majorité à un déplacement global du miroir. Il faut plutôt en extraire les écarts relatifs sur la surface du miroir. Remplacer les plots de colle par des plots fixes non déformables permettrait de l'obtenir si le barillet se déforme de façon parfaitement uniforme.

 

L'idée serait de lire la position de la surface avant déformation, puis après. Le delta obtenu serait techniquement une déformation de surface. En le faisant sur tous les points j'imagine qu'on peut déterminer un PtV ou l'écart RMS à la forme initiale. Par contre pour obtenir un Strehl ratio... Il faudrait que le module optique de FreeCad fasse la diffraction si je comprends bien. Ce qui n'est pas le cas actuellement à ma connaissance.

 

 

 

 

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Quelles sont les contraintes que tu as appliqué sur le miroir ? Poids uniquement ou autres ? Notamment dans le gif , je ne vois pas où sont les contraintes et en fonction de quoi elles évoluent pour donner une déformation identique dans les 3 zones.

 

Dans quelle position se trouve le miroir dans ton étude ? En fonction de la position du miroir, les contraintes dues au poids évoluent ? Le miroir ne subit pas les mêmes contraintes lorsqu’on vise le zénith ou l’horizon.

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il y a 10 minutes, Discret68 a dit :

Quelles sont les contraintes que tu as appliqué sur le miroir ? Poids uniquement ou autres ? Notamment dans le gif , je ne vois pas où sont les contraintes et en fonction de quoi elles évoluent pour donner une déformation identique dans les 3 zones.

 

Dans quelle position se trouve le miroir dans ton étude ? En fonction de la position du miroir, les contraintes dues au poids évoluent ? Le miroir ne subit pas les mêmes contraintes lorsqu’on vise le zénith ou l’horizon.

 

Salut Discret68 !

 

Bonnes questions. Plus clairement :

- Dans toutes ces simulations le miroir pointe vers le Zénith. La force du poids tire le miroir vers le barillet. Cela peut bien sûr être changé pour analyser d'autres cas.

- Les seules contraintes sont le poids de chacune des pièces. Elles n'évoluent pas.

- La réponse au poids est appliquée en 3 points d'ancrage dans les 2 cas présentés. Les zones en vert sont immobiles car elles sont proches des zones d'ancrage du modèle. Le premier cas avec les triangles en acier est ancré au niveau des marques rouge sur chaque triangle. Le second cas animé est ancré en 3 points au dos du miroir (invisible sur l'image).

- L'animation est fortement exagérée. La déformation est invisible en X1 car inferieure à 1µm si j'ai bonne mémoire. La déformation est toujours la même. Le mouvement qu'on observe est dû au changement du facteur d'exagération pour aider à visualiser. Il ne s'agit pas de l'évolution d'une force.

 

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Bonsoir,

 

Merci @eroyer !

Je n'étais pas tombé dessus étrangement... C'est génial que des gens aient déjà comparé un petit peut FreeCad et PLOP et qu'ils aient aussi essayé d'aller + loin.

 

Je n'ai pas fini d'explorer entièrement le topic sur Astrosurf partagé par eroyer... Mais la phrase "Après le must serait de pouvoir (se qui me semble possible mais pas encore réalisé) extraire la surface déformée sous forme de nuage de point et le transformé en front-d’onde pour l’examiné optiquement, et ainsi l’analyser par exemple avec DFTFringe."  Résume bien ce que j'essaie aussi de faire. Il faudrait effectivement faire un script python pour réaliser cela directement dans la console python de FreeCad. Je ne suis pas encore assez habile pour y arriver facilement mais la démarche ne m'est pas étrangère.

 

 

 

 

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Bonjour,

 

Oui, mais il y a encore un truc que PLOP fait, et que vous le pourrez pas faire avec FreeCad...

 

PLOP analyse la deformation, oui, mais ensuite, il pause la question "Cette surface deformée ne serait elle pas, pas hazard, plus proche d'une autre parabole que celle d'origine, et si oui, quelle est elle, et quelle est la déformation par raport a cette parabole"... C'est tres important car cela permet de faciliter les choses, donant permetant beaucoup plus de flexibilité qu'une simple MEF.

 

Cyrille

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Le 20/09/2021 à 07:17, HPMâd a dit :

"Cette surface deformée ne serait elle pas, pas hazard, plus proche d'une autre parabole que celle d'origine, et si oui, quelle est elle, et quelle est la déformation par raport a cette parabole"

Justement, le fait d'exporter le front d'onde vers DFTFringe permettrait de faire cette analyse (qui n'est pas possible avec Freecad seul).

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Si la phrase commence par "vous ne pourrez pas faire avec FreeCad" il y a toujours la réponse un peu joker "A moins de développer un atelier ou un script python pour le faire". :D Mais il faut avoir une petite fibre programmation et un certain nombre d'heures en trop. Si la première condition est parfois remplie, la seconde l'est rarement !

 

Mon but n'est pas de réinventer la roue. D'autant que la comparaison FreeCad / PLOP semble déjà avoir eu lieu sur Astrosurf... Ce qui me motive à passer par FreeCad c'est de pouvoir disposer du reste du télescope en 3D et des autres pièces optiques en plus du miroir primaire. Je dois avouer que je compte beaucoup sur le développement du module optique pour cela. Le dev (ou plutot son redéveloppement...) a repris assez récemment. Le forum FreeCad anglais est actif sur le sujet ce qui est très encourageant. Au cas où cela ne soit pas clair, FreeCad est développé par la communauté des utilisateurs. Ces gens sur le qu'on croise sur le forum FreeCad sont littéralement les gens qui développent le soft. Bénévolement. Je suis sûr que ces questions sont traitées par des logiciels d'opticiens avec facilité. Mais je préfère garder mon argent pour autre chose.

 

En ayant le reste du télescope on pourrait penser intégrer les effets thermiques sur la structure mécanique et la flexion de la structure associée au pointage (Zénith vs Horizon...). Je vous accorde que cela demande de passer + de temps sur le PC et d'avoir une maitrise du logiciel et de python plus profonde que ce qui peut etre acquis en une demi-journée. Mais le résultat obtenu est quand même la connaissance de l'effet des déformations du télescope sur le front d'onde lors de l'utilisation. Pour avoir fait des collimations sur un Dobson serrurier, je dois avouer que le "flex" est bien présent. si la collimation est faite à Alt=0°, 45° ou 90°... C'est pas la même chose !

Je ne recommande pas la collim en visant le Zénith. C'est un coup à perdre son primaire ! et le secondaire en passant :o 

 

Si j'ai l'occasion d'approfondir mon travail sur la déformation de télescope/miroir sur FreeCad, je penserai à updater ce post des fois que des gens veuillent se lancer là dessus. Même si j'ai des doutes sur l'intérêt de ce que je suis entrain de faire d'après vos retours. ;)

 

A+

 

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Bonjour,

 

"Pour avoir fait des collimations sur un Dobson serrurier, je dois avouer que le "flex" est bien présent."

 

Ca, c'est par ce que les créateur de Dobson "à longeron" n'ont pas compris ce qu'etait un Serrurier (notons la majuscule, c'est un nom de famille).

 

Serrurier SAVAIT qu'il y avait des flexions, et son design prenait en compte les dites flexion! Il utilisait 2 series de longerons, des 2 cotés du centre de gravitée, et les calculait pour que la flexion soit equivalent, pour, justement, garder la collim.

C'est tres bien expliqué graphiquement sur wikipedia:

 

https://en.wikipedia.org/wiki/Serrurier_truss

 

400px-Serruier_truss_principle.svg.png

 

Donc oui, un Dobson à "longerons" va avoir de la flexion, et cette flexion vas pauser problème. d'ou le design Serrurier, concus spécifiquement pour régler le problème!

 

Cyrille

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