Optimisation multidisciplinaire de machines Projet propos la Fondation

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

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. 2 OMD de machines - Fondation CETIM

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. 3 OMD de machines - Fondation CETIM

OMD de machines : une approche pragmatique et moderne de la conception Optimisation multidisciplinaire : une méthodologie de conception basée sur I. III. IV. 4 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

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. 5 OMD de machines - Fondation CETIM

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. 6 OMD de machines - Fondation CETIM

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 7 OMD de machines - Fondation CETIM

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

Relaxation des couplages entre disciplines discipline structures aérodynamique analyse u(xm , xi , p) p(xa , u) couplages physiques à travers variables critères p et u xm et xi xa rupture(xm , xi , u) , masse(xm) port. (xa , p) couplages conception à travers port. limite (masse) et couplages physiques La gestion des interfaces permet de décomposer le problème (CO, CSSO, …) 9 OMD de machines - Fondation CETIM

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 10 OMD de machines - Fondation CETIM

finesse de modèle requise OMD de machines : applications proposées 11 planeuse tôle co mp lex engins TP ité co ns engrenages tan te lignes flexibles 2 5 8 nb. de disciplines OMD de machines - Fondation CETIM

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 12

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 13 OMD de machines - Fondation CETIM

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

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 15 OMD de machines - Fondation CETIM

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 3 D 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 16 OMD de machines - Fondation CETIM

Conception et contrôle de planeuses (axes III et IV) disciplines critères variables conception contrôle taux de plastification, trajectoire de tôle, planéité prédite position et diamètre des rouleaux, système de cambrage, dimensionnement vérins, motorisation rouleaux imbrication, couples moteurs et forces de planage, mesures de planéité qui sont des fonctions de l’acier à planer, de sa température et de son épaisseur. 17 OMD de machines - Fondation CETIM

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 18

Critères de conception d’un engrenage Conception Industrialisation 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 Production Utilisation 19 OMD de machines - Fondation CETIM

Démarche actuelle de conception et d’industrialisation d’un engrenage Définition du brut forgé Définition de la gamme d’usinage avant TTh Conception Industrialisation Production (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 Utilisation 20 OMD de machines - Fondation CETIM

Critères de production des engrenages Conception Industrialisation Production 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 Utilisation 21 OMD de machines - Fondation CETIM

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

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). 23 OMD de machines - Fondation CETIM

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 24

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

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

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

Échéances et coûts Échéances Tâches Laboratoires Coût (Keuros) 0 – 3 mois choix de 3 applications, recrutements (3 thèses, 1 post doc) tous 3 4 – 15 mois bilan des disciplines et modèles / application labo. d’applications 3*(27+3+3) 16 – 27 mois 1ères opti. et retour d’expériences labo. d’applications / application 3*(27+3) 28 – 39 mois amélioration modèles et intégration OMD / application labo. d’applications 3*(27+3) 10 – 21 mois synthèse outils logiciels transverses 1 (post-doc) EMSE, Ld. V 36+3+3 22 – 39 mois synthèse outils logiciels transverses 2 (post-doc) EMSE, Ld. V 54+4, 5 Coût total : 382, 5 Keuros 28 OMD de machines - Fondation CETIM

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

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). 30 OMD de machines - Fondation CETIM

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. 31 OMD de machines - Fondation CETIM

transparents complémentaires 32 OMD de machines - Fondation CETIM

Critères de conception et d’industrialisation d’un engrenage Cahier des charges Conception Industrialisation Production 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 Utilisation 33 OMD de machines - Fondation CETIM

Engins de Travaux Publics Rotation Bras Moteur et contrepoids Accessoire (godet) Translation OMD de machines - Fondation CETIM 34

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

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

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 OMD de machines - Fondation CETIM 37