Brevet FR2962239A1 — publié le 20120106

PROCEDE DE CONCEPTION D'UNE PIECE MECANIQUE NERVUREE [0001] L'invention concerne la conception de pièces mécaniques en conception assistée par ordinateur, et en particulier la conception de pièces mécaniques sensibles aux phénomènes vibratoires et munies de nervures destinées à atténuer les vibrations. [0002] Les pièces mécaniques comprennent le plus souvent des parties massives excitées par des mouvements vibratoires. Les sources de mouvements vibratoires présentent une très grande complexité, du fait de la variation de leurs amplitudes, très distinctes dans les différentes zones de la pièce, ainsi que du fait de la très grande richesse des harmoniques vibratoires appliquées. L'influence des phénomènes vibratoires sur la pièce mécanique est complexe à étudier, en particulier pour des pièces mécaniques de formes complexes, tels que des blocs cylindres de moteurs à combustion interne, et de façon générale pour des carters présentant des dimensions relativement importantes pour des épaisseurs de parois relativement réduites. Les différentes parties de la pièce mécanique peuvent ainsi présenter des fréquences de résonance distinctes et ainsi générer des vibrations néfastes pour un certain nombre de situations de fonctionnement du moteur à combustion interne. De telles vibrations peuvent ainsi induire des ruptures de pièces mécaniques ou une perception sonore désagréable pour des usagers présents dans l'habitacle du véhicule équipé du moteur à combustion interne. [0003] Il est connu de procéder à une étude vibratoire d'un modèle numérique du moteur à combustion interne par une méthode d'éléments finis. Un modèle numérique du moteur à combustion interne est généré en conception assistée par ordinateur et prend en compte ses spécificités géométriques ainsi que ses matériaux constitutifs. Le modèle numérique du moteur à combustion interne fait ensuite l'objet d'un maillage de points représentatifs pour lesquels un certain nombre de calculs sont ensuite réalisés, par une méthode connue en soi de simulation par éléments finis. À partir d'un modèle d'origine comprenant des surfaces nues, on réalise des simulations d'excitation vibratoire pour déterminer les amplitudes de vibrations induites dans le moteur. [0004] Ensuite, de façon empirique en exploitant un retour d'expérience ou en analysant des déformées modales sur certains modes vibratoires que l'on souhaite atténuer, on modifie le modèle numérique en conception assistée par ordinateur pour ajouter des nervures réalisables industriellement sur les surfaces nues. Des nervures peuvent être aisément réalisées industriellement, par exemple par moulage du bloc cylindre, pour atténuer certains modes vibratoires. Les nervures permettent notamment d'éviter d'accroître démesurément certaines épaisseurs de parois et permettent ainsi globalement de limiter la quantité de matière nécessaire pour réaliser le bloc cylindre (et donc limiter son poids et son coût). [0005] Le maillage en éléments finis du modèle numérique doit ensuite être réalisé à nouveau et doit être adapté aux autres pièces environnantes ayant fait l'objet d'une conception assistée par ordinateur incluant un maillage. On réalise un processus récursif et empirique d'ajout de nervures dans le modèle numérique et de simulations vibratoires des modèles modifiés jusqu'à obtenir un comportement vibratoire satisfaisant. [0006] En pratique, une telle conception de pièces mécaniques présente un certain nombre d'inconvénients. Une telle construction nécessite de nombreuses itérations de simulations impliquant les concepteurs, qui ralentissent le processus de conception et s'avèrent coûteuses. Toute modification du maillage et du modèle numérique génère une importante perte de temps. Par conséquent, le nombre de possibilités de nervurages testées reste relativement réduit et leur conception n'est donc pas optimisée, tant en terme de poids que de comportement vibratoire. [0007] Le document EP1316462 décrit un procédé de conception d'une paroi de silencieux d'échappement optimisant son comportement vibratoire en évitant d'utiliser des nervures sur la coque métallique du silencieux d'échappement. Ce document propose de partir d'un premier modèle numérique de base simplifié de la coque du silencieux d'échappement. Ce premier modèle numérique simplifié est analysé par un logiciel commercialisé sous la référence OPTISTRUCT. Ce logiciel détermine le comportement vibratoire du premier modèle numérique et modifie le contour de la coque pour déterminer une géométrie de coque présentant un comportement vibratoire optimal. Comme le contour déterminé présente une géométrie complexe et quasiment impossible à industrialiser en pratique, le procédé comprend une étape de sélection d'un nuage de points du contour déterminé, par projection du maillage d'une grille sur ce contour. Le procédé génère ensuite un deuxième modèle numérique de la forme de la coque, dans lequel des facettes planes sont formées pour raccorder les points sélectionnés. Un troisième modèle numérique est ensuite généré pour former des rayons de courbure au niveau des intersections entre les différentes facettes. [0008] Un tel procédé de conception présente également des inconvénients. En pratique, le troisième modèle numérique obtenu reste relativement complexe et impose la création de parois fortement incurvées. De telles formes s'avèrent plus coûteuses, voire impossible à réaliser par certains procédés de fabrication tels que l'emboutissage ou le moulage. Un tel procédé permet d'optimiser la forme de la coque de la pièce mécanique. Cependant, un tel procédé nécessite encore l'utilisation de parois relativement épaisses pour réaliser la coque. [0009] L'invention vise à résoudre un ou plusieurs de ces inconvénients. L'invention porte ainsi sur un procédé de conception d'une pièce mécanique sur la base d'un premier modèle numérique configuré pour être simulé selon des calculs d'éléments finis, le procédé comprenant : [0010] -la génération d'un deuxième modèle numérique par duplication du premier modèle numérique et la sélection dans le deuxième modèle numérique d'une paroi de la pièce mécanique apte à comporter des nervures ; [0011] -la saisie de paramètres géométriques de nervures à générer ; [0012] -la génération d'un réseau de lignes en fonction des paramètres géométriques saisis ; [0013] -la projection du réseau de lignes sur la paroi sélectionnée ; [0014] -la génération automatique des nervures en saillie depuis le réseau de lignes projeté en fonction des paramètres géométriques saisis ; [0015] -la suppression de la pièce mécanique dans le deuxième modèle numérique ; [0016] -le maillage des nervures en éléments finis et la liaison du maillage des nervures au maillage du premier modèle numérique ; [0017] -la simulation d'une réponse vibratoire des premier et deuxième modèles numériques dont les maillages sont liés. [0018] Selon une variante, le procédé comprend une étape de génération d'un cadre géométrique, le réseau de lignes étant généré à l'intérieur du cadre géométrique en fonction des paramètres géométriques saisis. [0019] Selon encore une variante, le premier modèle numérique représente un bloc cylindre d'un moteur à combustion interne. [0020] Selon une autre variante, les nervures du deuxième modèle numérique sont modélisées par des éléments finis bidimensionnels. [0021] Selon encore une autre variante, le procédé comprend une étape de sélection d'un ensemble d'éléments géométriques du premier modèle numérique et l'enregistrement de cette sélection sous forme d'un groupe d'éléments géométriques distinctif dans le premier modèle numérique, la paroi sélectionnée dans le deuxième modèle numérique correspondant à ce groupe d'éléments géométriques distinctif. [0022] L'invention porte également sur un procédé de fabrication d'une pièce mécanique, comprenant sa conception préalable selon un procédé tel que décrit ci-dessus, la pièce mécanique fabriquée correspondant à la combinaison des premier et deuxième modèles numériques. [0023] D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront clairement de la description qui en est faite ci-après, à titre indicatif et nullement limitatif, en référence aux dessins annexés, dans lesquels : [0024] la figure 1 est une vue en perspective d'un premier modèle numérique maillé d'un bloc cylindre, utilisé dans un mode de réalisation d'un procédé de conception selon l'invention ; [0025] la figure 2 est une vue en perspective du modèle numérique de la figure 1 du bloc cylindre dans lequel une paroi à nervurer a été enregistrée sous forme de groupe d'éléments géométriques distinctif; [0026] la figure 3 est une vue en perspective du modèle numérique de la figure 2, dans lequel un cadre géométrique a été créé ; [0027] la figure 4 est une vue en perspective du modèle de la figure 3 dans lequel le cadre géométrique comprend une grille ; [0028] la figure 5 est une vue en perspective du modèle de la figure 2 présentant des nervures ménagées au niveau d'une projection de la grille sur la paroi sélectionnée ; [0029] la figure 6 est une vue en perspective des nervures après suppression du bloc moteur du modèle de la figure 5 ; [0030] la figure 7 est une vue en perspective des nervures après leur maillage en éléments finis ; [0031] la figure 8 est un logigramme d'un procédé de modélisation des nervures. [0032] Lors d'une étape 100, un premier modèle numérique de la pièce ou de l'ensemble de pièces à tester est généré au moyen d'un système de conception assistée par ordinateur (par exemple le logiciel commercialisé sous la référence Catia). La figure 1 est une vue en perspective d'un premier modèle numérique d'une pièce mécanique 1, en l'occurrence un bloc cylindre de moteur à combustion interne. La pièce à générer pourra par exemple être une pièce mécanique présentant différentes parois formant une coque délimitant un volume intérieur creux, dans lequel des chambres de combustion sont par exemple ménagées. [0033] Lors d'une étape 102, le premier modèle numérique généré fait l'objet d'un maillage de façon connue en soi, optimisé en vue de réaliser des calculs par éléments finis. Le modèle numérique du bloc cylindre 1 de la figure 1 présente ainsi un maillage prédéfini en vue de réaliser des calculs par éléments finis. [0034] Lors d'une étape 104, on sélectionne un ensemble d'éléments géométriques du premier modèle numérique. Cet ensemble d'éléments géométriques sélectionnés est enregistré sous la forme d'un groupe d'éléments géométriques distinctif. Le groupe d'éléments géométriques distinctif correspond à une paroi 3 du bloc cylindre 1 sur laquelle on souhaite générer des nervures. La paroi 3 est identifiée par la zone pointillée de la figure 2. Ce groupe d'éléments géométriques distinctif est par exemple généré par une extraction dans le logiciel de conception assistée par ordinateur. Ce groupe d'éléments géométriques distinctif peut être enregistré avec un nom explicite permettant d'identifier la paroi 3 à nervurer. La paroi 3 peut ainsi aisément être dissociée du reste du premier modèle numérique. D'autres groupes d'éléments géométriques distinctifs peuvent également être générés, pour d'autres parois que l'on souhaite nervurer. [0035] Lors d'une étape 106, on duplique le premier modèle numérique du bloc cylindre 1 pour former un deuxième modèle numérique. Le premier modèle numérique peut ainsi être conservé inchangé pour des traitements ultérieurs. Le maillage du premier modèle numérique et la liaison de ce maillage avec le maillage d'autres composants mécaniques peuvent ainsi rester inaltérés. [0036] Lors d'une étape 108, on sélectionne la paroi 3 du deuxième modèle numérique en sélectionnant le groupe d'éléments géométriques distinctif. [0037] Lors d'une étape 110, les concepteurs définissent un cadre géométrique 4 en vis-à-vis de la paroi 3. En l'occurrence, le cadre géométrique illustré à la figure 4 est un rectangle. Ce cadre géométrique définit des limites pour une zone de nervures. Le cadre géométrique 4 est disposé en vis-à-vis d'une jupe du bloc cylindre 1 que l'on souhaite renforcer par des nervures. [0038] Lors d'une étape 112, les concepteurs fixent des paramètres définissant un nervurage pouvant être appliqué sur la paroi sélectionnée. Les concepteurs pourront par exemple définir l'orientation des nervures (typiquement perpendiculaires à la paroi sélectionnée), leur épaisseur de paroi (typiquement comprise entre 4 et 6 mm pour un bloc cylindre), leur hauteur, les motifs formés par les nervures (triangles, rectangles...), différentes inclinaisons de nervures (nervures horizontales, nervures verticales...) ainsi que le pas entre ces nervures (typiquement supérieur à 1,5 fois l'espacement des noeuds du maillage du bloc cylindre), en fonction de contraintes industrielles de réalisation des nervures telles qu'une aptitude à être démoulées et à résister mécaniquement. Le nervurage pourra par exemple être conçu pour présenter une densité maximale sur la paroi 3 sélectionnée. [0039] Lors d'une étape 114, un réseau de lignes est créé à l'intérieur du cadre géométrique 4, en fonction de certains paramètres saisis par les concepteurs (pas, motif, inclinaisons...) lors de l'étape 112. Dans l'exemple illustré à la figure 4, le réseau de ligne est une grille 41 définissant des motifs rectangulaires par intersection de lignes verticales et de lignes horizontales. [0040] Lors d'une étape 116, le réseau de lignes généré est projeté sur la surface 3 qui a été sélectionnée à l'étape 108. [0041] Lors d'une étape 118, des nervures 2 sont générées automatiquement en saillie depuis la paroi 3, en s'étendant depuis le réseau de lignes projeté sur cette paroi 3. Les nervures 2 sont générées en fonction de certains paramètres saisis par les concepteurs (épaisseur de paroi, hauteur, orientation...) lors de l'étape 112. Dans l'exemple illustré à la figure 5, les nervures 2 sont en saillie par rapport à la paroi 3 selon une direction définie dans un repère. Les nervures 2 sont formées par extrusion selon cette direction depuis le réseau de lignes projeté. On peut également envisager que les nervures 2 soient en saillie perpendiculairement à la paroi 3 depuis le réseau de lignes projeté. [0042] Lors d'une étape 120, on élimine d'éventuelles nervures qui seraient industriellement irréalisables ou inutiles. On peut ainsi éliminer les nervures qui s'étendent avec un angle trop important par rapport à une direction de démoulage de la pièce mécanique 1. On peut également éliminer les nervures 2 de trop petites dimensions. L'élimination de telles nervures peut être réalisée manuellement ou automatiquement selon un algorithme prédéfini. [0043] Les nervures 2 pourront par exemple être ajoutées automatiquement au moyen d'une application spécifique développée pour le logiciel commercialisé sous la marque Catia. Cette application pourra par exemple exécuter automatiquement les étapes 114, 116, 118 et 120. [0044] Lors d'une étape 122, la pièce mécanique 1 est supprimée du deuxième modèle numérique. Le deuxième modèle numérique ne comporte alors plus que les nervures 2, comme illustré à la figure 6. Le deuxième modèle numérique peut ainsi être manipulé indépendamment du premier modèle numérique, ce qui permet de lui appliquer des modifications sans altérer le premier modèle numérique. [0045] Lors d'une étape 124, les nervures 2 font l'objet d'un maillage en vue de calculs par éléments finis, comme illustré à la figure 7. Les noeuds du maillage des nervures 2 venant en contact avec la paroi sélectionnée 3 pourront être raccordés selon des relations linéaires avec les trois noeuds les plus proches de la paroi 3 du premier modèle numérique. Les noeuds du maillage des nervures 2 pourront également être raccordés aux noeuds de la paroi 3 par une combinaison de relations linéaires et de liaisons rigides, ce qui facilite le raccordement des deux maillages distincts. Un raccordement du maillage des nervures 2 avec le maillage de la paroi 3 pourra par exemple être réalisé au moyen d'un logiciel commercialisé sous la marque Virtual.Lab. Chaque nervure 2 fait avantageusement l'objet d'un maillage bidimensionnel, afin de faciliter les étapes de calculs ultérieures. On spécifie dans le deuxième modèle numérique les propriétés mécaniques (masse, dimensions géométriques et modules d'élasticité) des nervures 2 générées, afin de permettre la mise en oeuvre de calculs d'éléments finis. [0046] Lors d'une étape 126, on simule la réponse vibratoire des premier et deuxième modèles numériques, dont on a lié les maillages. La simulation numérique est réalisée en appliquant une excitation vibratoire aux premier et deuxième modèles numériques. La réponse vibratoire des premier et deuxième modèles numériques est mesurée pour un ensemble de points de référence. Ces points de référence correspondent typiquement à des noeuds de la paroi sélectionnée pour l'implantation des nervures. L'homme du métier sait de façon connue en soi déterminer différents points du maillage pertinents pour analyser la réponse vibratoire. [0047] Les étapes 106 à 126 peuvent être répétées pour créer différentes géométries de nervures 2 (hauteur, épaisseur, motifs, pas...) et de comparer leur réponse vibratoire. Une grande variété de nervures peut ainsi être rapidement créée et associée à un même premier modèle numérique de la pièce mécanique, ce qui permet d'optimiser le nervurage sans retarder excessivement le processus de conception de la pièce mécanique. [0048] À l'étape 128, une pièce mécanique conforme à l'association des premier et deuxième modèles numériques peut être fabriquée. [0049] Les premier et deuxième modèles numériques illustrés dans les figures ne comprennent qu'un bloc cylindre dont la réponse vibratoire est étudiée. Cependant, on pourra simuler la réponse vibratoire sur une pièce mécanique en lui accolant également un modèle numérique d'un ensemble d'autres pièces mécaniques auxquelles elle est fixée. Dans l'exemple illustré, la réponse vibratoire au niveau des noeuds du bloc cylindre sera par exemple calculée sur des modèles numériques incluant également une culasse, un carter de transmission et des périphériques. [0050] Dans les exemples illustrés, les nervures sont réalisées sous forme de parois orientées selon des plans perpendiculaires définissant des creux de forme rectangulaire. Bien entendu, d'autres types de nervures peuvent être incluses dans le deuxième modèle numérique. [0051] En l'occurrence, la paroi 3 est sélectionnée pour recevoir un réseau de nervures. Bien entendu, plusieurs parois du premier modèle numérique peuvent être sélectionnées pour recevoir des nervures. Le deuxième modèle numérique pourra ainsi inclure des nervures 2 pour plusieurs parois sélectionnées. REVENDICATIONS1. Procédé de conception d'une pièce mécanique sur la base d'un premier modèle numérique de la pièce configuré pour être simulé selon des calculs d'éléments finis, le procédé comprenant : - la génération (106) d'un deuxième modèle numérique par duplication du premier modèle numérique et la sélection (108) dans le deuxième modèle numérique d'une paroi de la pièce mécanique apte à comporter des nervures ; -la saisie (112) de paramètres géométriques de nervures à générer ; - la génération d'un réseau de lignes (114) en fonction des paramètres géométriques saisis ; - la projection (116) du réseau de lignes sur la paroi sélectionnée ; - la génération (118) automatique des nervures en saillie depuis le réseau de lignes projeté en fonction des paramètres géométriques saisis ; - la suppression (122) de la pièce mécanique dans le deuxième modèle numérique ; - le maillage (124) des nervures en éléments finis et la liaison du maillage des nervures au maillage du premier modèle numérique ; -la simulation (126) d'une réponse vibratoire des premier et deuxième modèles numériques dont les maillages sont liés. 2. Procédé de conception d'une pièce mécanique (1) selon la revendication 1, comprenant une étape de génération (110) d'un cadre géométrique (4), le réseau de lignes (41) étant généré à l'intérieur du cadre géométrique en fonction des paramètres géométriques saisis. 3. Procédé de conception d'une pièce mécanique selon la revendication 1 ou 2, dans lequel le premier modèle numérique représente un bloc cylindre (1) d'un moteur à combustion interne. 4. Procédé de conception d'une pièce mécanique selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les nervures (2) du deuxième modèle numérique sont modélisées par des éléments finis bidimensionnels. 5. Procédé de conception d'une pièce mécanique selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant une étape de sélection (104) d'un ensemble d'éléments géométriques du premier modèle numérique et l'enregistrement de cette sélection sous forme d'un groupe d'éléments géométriques distinctif dans le premier modèle numérique, la paroi sélectionnée (3) dans le deuxième modèle numérique correspondant à ce groupe d'éléments géométriques distinctif. 6. Procédé de fabrication d'une pièce mécanique, comprenant sa conception préalable selon un procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, la pièce mécanique fabriquée correspondant à la combinaison des premier et deuxième modèles numériques.