Optimisation multidisciplinaire de machines

1. Optimisation multidisciplinaire de machines Projet proposé à la Fondation CETIM Mars 2005 OMD de machines - Fondation CETIM

2. De la modélisation à l’optimisation : un passage difficile pour les entreprises • Complexité croissante des modèles (nombre de ddls, nombre de disciplines, temps de calcul, expertise humaine). • Les développements de la modélisation ont encore un impact limité sur la conception optimale. OMD de machines - Fondation CETIM

3. Les causes (des limites des apports de la modélisation à la conception) • Les modèles tendent à être trop complexes pour être utilisés en optimisation. • Est-il pertinent d’optimiser des modèles (un peu) faux ? • Les couplages entre critères de performance ne sont pas l’objet de la modélisation • L’expertise humaine en modélisation est difficile à pérenniser dans l’entreprise. OMD de machines - Fondation CETIM

4. OMD de machines : une approche pragmatique et moderne de la conception Optimisation multidisciplinaire : une méthodologie de conception basée sur • le développement de modèles simplifiés, • l’optimisation robuste (stabilité aussi importante que performance prédite), • la relaxation des couplages entre disciplines, • la mesure de sensibilité du design final aux sous-systèmes. OMD de machines - Fondation CETIM

5. Le projet est inspiré de … la « Multidisciplinary Optimization » • une approche de la conception développée dans l’aéronautique (AIAA MAO conferences, Journal of structural and multidisciplinary optimization, NASA MDO Branch, … ) • curieusement oubliée en France. OMD de machines - Fondation CETIM

6. Un projet structurant • Outre ses aspects scientifiques, l’OMD de machines est un projet structurant pour l’industrie et la recherche publique car • la collaboration entre acteurs industriels et universitaires est au centre de ses préoccupations, • il organise la pluridisciplinarité. OMD de machines - Fondation CETIM

7. Développement de modèles simplifiés modèles physiques complexes (trop lourds numériquement et humainement?) expériences modèles complexes simplifiés (POD, bases modales, …) modèles simples enrichis modèles appris à partir d’expériences (rés. neurones, SVM, surfaces de réponse, plans d’expériences…) modèles physiques (trop?) simples OMD de machines - Fondation CETIM

8. f x Optimisation robuste et fiabiliste • Modèles numériques avec un biais + incertitudes • Optimisation robuste et fiabiliste • FORM, SORM, Monte Carlo, LHS, Surfaces de réponse… • Algèbre d’intervalles, optimisation statistique… OMD de machines - Fondation CETIM

9. Relaxation des couplages entre disciplines La gestion des interfaces permet de décomposer le problème (CO, CSSO, …) OMD de machines - Fondation CETIM

10. Mesures de sensibilités Elles quantifient la sensibilité de la performance aux variations de ressources et de variables et servent donc à orienter les efforts de R&D. • Innovations: sensibilités généralisées aux • cas multidisciplinaire • variables discrètes • réponses discontinues • optimisations non-convergées OMD de machines - Fondation CETIM

11. OMD de machines : applications proposées planeuse tôle complexité constante engins TP finesse de modèle requise engrenages lignes flexibles 2 5 8 nb. de disciplines OMD de machines - Fondation CETIM

12. OMD de planeuse de tôles fortes Partenaire industriel : VAI CLECIM (S. Maillard, L. Bodini, O. Germain, J. Perret) Partenaires universitaires : Ecole des Mines de St. Etienne (R. Le Riche, C. Desrayaud) OMD de machines - Fondation CETIM

13. Problématique du planage Laminage de tôles fortes aciers Hétérogénéité des contraintes résiduelles transverses et dans l’épaisseur Défauts de planéité bords longs centre longs planage nécessaire OMD de machines - Fondation CETIM

14. Principe du planage Zone 1 homogénéisation transverse Zone 2 homogénéisation dans l’épaisseur Imbrication < épaisseur OMD de machines - Fondation CETIM

15. Axes Stratégiques pour VAI Clecim • Evolution du marché • Tendances actuelles : • Aciers à plus haute limite élastique • Tolérances de plus en plus faibles • Différenciation concurrentielle • Passer d’une position de suiveur à celle de leader • Court terme : Performances en hausse • Moyen terme : Conception innovante OMD de machines - Fondation CETIM

16. Conception et contrôle de planeuses (axes I et II) • Une hiérarchie de modèles • Actuel : longitudinal plastique parfait isotherme • Evolution : • Analyse fine d’une cellule élémentaire (EF 3D thermomécaniques couplés). • Retour sur le modèle simplifié. • Assemblage des boîtes élémentaires simplifiées. • Prédiction de planéité. • Optimisation robuste • Nécessaire car : • La température de la tôle planée varie • La planéité en de la tôle en entrée n’est pas connue OMD de machines - Fondation CETIM

17. Conception et contrôle de planeuses (axes III et IV) qui sont des fonctions de l’acier à planer, de sa température et de son épaisseur. OMD de machines - Fondation CETIM

18. OMD pour la conception et l’industrialisation de transmission de puissance par engrenages Partenaires industriels : ASCOMETAL CREAS, PSA Partenaires universitaires : LTDS (J. Rech, P. Lyonnet, J. Perret-Liaudet), EMSE (R. Le Riche), LAMCOS (P. Velex), LGIPM (R. Bigot) OMD de machines - Fondation CETIM

19. Critères de conception d’un engrenage Choix des matériaux et de leurs états métallurgiques Dimensionnement à la rupture Dimensionnement à la fatigue Dimensionnement à l’usure et choix de la lubrification Dimensionnement au pitting Dimensionnement acoustique Conception Industrialisation Production Utilisation OMD de machines - Fondation CETIM

20. Démarche actuelle de conception et d’industrialisation d’un engrenage Définition du brut forgé Définition de la gamme d’usinage avant TTh (tournage, taillage, arasage) Définition du TTh (cémentation sous vide) Définition de la gamme d’usinage après TTh : rectification / Rodage Définition du plan de surveillance (contrôle) Conception du système de production Conception Industrialisation Production Utilisation OMD de machines - Fondation CETIM

21. Critères de production des engrenages Point sur les difficultés de production Lié à la conception de l’engrenage Lié à la gamme de fabrication Coûts de consommable usure des outils, lubrifiants, électricité, maintenance, etc. Coût total de production Conception Industrialisation Production Utilisation OMD de machines - Fondation CETIM

22. Confrontation avec le cahier des charges fonctionnel Conception Analyse des émissions acoustiques Tenue à la fatigue Tenue au pitting Résistance à l’usure Rendement Industrialisation Production Utilisation OMD de machines - Fondation CETIM

23. Apports de l’OMD pour la conception et l’industrialisation d’engrenages • La conception, la fabrication et la production sont des décisions couplées. • Pour les engrenages, il existe de nombreux critères et modèles au sein de chaque discipline (cf. transparents précédents). • De nombreux critères sont négligés en conception (acoustique, lubrification, déformation des dentures lors de la fabrication, …) car leurs modèles sont trop lourds itérations coûteuses. • L’OMD est pertinente pour les engrenages (modèles simplifiés, intégration des critères par relaxation des couplages, étude de sensibilité, conception robuste). OMD de machines - Fondation CETIM

24. OMD pour l’optimisation des lignes flexibles Partenaires industriels : Jean Arcamone ( International Development and Strategies ) Partenaires universitaires : Samy Missoum ( PULV ), Joël Rech ( EMSE ), Catherine Vayssade ( UTC ) OMD de machines - Fondation CETIM

25. Les lignes flexibles Entrée (pièces brutes) Définition:ligne de fabrication rapidement reconfigurable permettant la fabrication de plusieurs produits. îlot 1 • Structure d’une ligne: • Système: ligne dans sa totalité caractérisée par son flux. • Sous-systèmes: Cellules d’usinage, convoyeurs, postes manuels… • Interfaces entre les différents sous-systèmes îlot 2 • Disciplines: • Etude des flux • Fiabilité • Fabrication • Gestion de maintenance, etc… îlot N Sortie

26. Système • Sous-systèmes • Niveau îlot • Niveau machine • Uniformisation du flux • coûts: total, fluides et consommables, maintenance • Qualité • Rendement • Dispositions des machines • Trajets d’outils • vibrations • fatigue… Les lignes flexibles: les optimisations Entrée (pièce brute) îlot 1 îlot 2 îlot N Sortie

27. Les lignes flexibles: Problème d’OMD Au niveau système, un problème d’OMD: Max Rendement : Au niveau sous-système Problème p Problème 1 Max vitesse trajets ( outils, portiques…) (…) Max puissance hydraulique Variables Pb 1 Variables Pb p • raideurs, puissances • Diamètresarrivées Couplage des différents problèmes. VARIABLES • Nombre de machines par îlot • Emplacement des machines

28. Échéances et coûts Coût total : 382,5 Keuros OMD de machines - Fondation CETIM

29. Lignes flexibles J. Arcamone (IDS) LdV, LTDS, UTC Synthèses logicielles 1 et 2 INRIA (Scilab), ENSM-SE, LdV, UTC, INSA Rouen, ENS Cachan Engrenages Ascometal Creas LTDS, LGIPM, LAMCOS Engins TP Mecalac LdV, INSA Toulouse et Rouen Planeuse VaiClecim ENSM-SE Distribution des tâches Pilotage : ENSM-SE (R. Le Riche) et LdV (S. Missoum) OMD de machines - Fondation CETIM

30. Partenariats extérieurs • Nationaux • Groupe de travail OMD de l’AFM • OMD en aéronautique : ONERA (projet fédérateur), • Dassault Av., EADS LV • INRIA (Consortium SCILAB, C. Gomez) • Internationaux • Univ. de Floride (R.T. Haftka), Univ. de Delft (Z. Gürdal). OMD de machines - Fondation CETIM

31. L’OMD de machines en bref • L’OMD : une approche pragmatique et moderne de la conception • dont la pertinence est illustrée sur trois applications. • Un projet structurant pour les relations recherche publique – PME. OMD de machines - Fondation CETIM

32. transparents complémentaires OMD de machines - Fondation CETIM

33. Critères de conception et d’industrialisation d’un engrenage Cahier des charges Conception Industrialisation Production Utilisation Mécanique Vitesses de rotation entrée – sortie Puissance transmissible Rendement Contraintes d’encombrement Acoustique Niveau de bruit / vitesse de rotation Tenue en service Pitting Rupture en pied de dents Usure Coût de production OMD de machines - Fondation CETIM

34. Rotation Engins de Travaux Publics Bras Moteur et contrepoids Accessoire (godet) Translation

35. Ingrédients de base du cahier des charges • Contrainte • Effort de traction de levage • Contrôle de descente de charge • Translation et rotation • Stabilité • Masse totale • Solutions • hydraulique + cinématique • hydraulique + cinématique • Puissance moteur • Contrepoids + hydraulique DISCIPLINES Hydraulique et contrôle Conception Maintenance

36. VARIABLES • Caractéristiques axes, fluides, pressions • Masse contrepoids • Puissance moteur • Chaîne cinématique intermédiaire • Min Masse totale • Sous contraintes de • Stabilité • Effort de traction de levage • Course de bras optimale • pour conduite plus facile • Dimensionnement • optimal des axes • Couple et puissance • Sécurité Un problème d’optimisation multidisciplinaire • DISCIPLINES • Hydraulique • Contrôle • Conception Analyse EF précise (pressions de contact) Minimisation du temps de graissage

37. Diverses optimisations possibles… • Maximiser l’effort de levage • Maximiser les puissances en rotation et translation • Maximiser la facilité de conduite • Minimiser la masse de l’équipement • Minimiser le temps de graissage DISCIPLINES Hydraulique et régulation Mécanique des structures Maintenance