Brevet FR2962238A1 — 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 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). 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. [0005] En pratique, une telle conception de pièces mécaniques présente un certain nombre d'inconvénients. L'optimisation de la pièce mécanique face aux phénomènes vibratoires est imparfaite et le nombre de nervures utilisées est généralement surdimensionné, ce qui occasionne un surcoût en matières premières et une complexification du procédé de fabrication de la pièce mécanique. Par ailleurs, une telle construction nécessite de nombreuses itérations de simulations impliquant les concepteurs, qui ralentissent le processus de conception et s'avèrent coûteuses. [0006] 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. [0007] 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. [0008] 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 : [0009] -la sélection d'une paroi de la pièce mécanique apte à comporter des nervures ; [0010] -la génération d'un deuxième modèle numérique de la pièce mécanique, incluant des nervures s'étendant en saillie depuis ladite paroi, le deuxième modèle numérique incluant les nervures étant configuré pour être simulé selon des calculs d'éléments finis ; [0011] -la simulation de réponses vibratoires respectives des premier et deuxième modèles numériques ; [0012] -la génération d'instructions de commande définissant la masse comme un paramètre à optimiser dans un troisième modèle numérique et définissant des critères de réponse vibratoire à respecter par ledit troisième modèle numérique, en fonction des réponses vibratoires des premier et deuxième modèles numériques ; [0013] -dans un calculateur électronique, en partant du deuxième modèle numérique, l'exécution des instructions de commande pour réaliser automatiquement des itérations de calculs d'éléments finis, chaque itération comprenant au moins une réduction de la rigidité d'une nervure et une simulation de réponse vibratoire du modèle ainsi obtenu ; [0014] -la sélection d'un modèle obtenu lors d'une itération, modèle dans lequel la rigidité de certaines nervures a été réduite et dont la réponse vibratoire satisfait aux critères de réponse vibratoire définis ; [0015] -la génération d'un troisième modèle numérique en éliminant des nervures du deuxième modèle numérique, nervures pour lesquelles la rigidité a été réduite durant les itérations de calculs d'éléments finis. [0016] Selon une variante, le deuxième modèle numérique comprend une densité maximale d'implantation des nervures sur ladite paroi. [0017] Selon encore une variante, le premier modèle numérique représente un bloc cylindre d'un moteur à combustion interne. [0018] Selon une autre variante, les nervures du deuxième modèle numérique sont modélisées par des éléments finis bidimensionnels. [0019] Selon encore une autre variante, le procédé comprend la simulation de la réponse vibratoire du troisième modèle numérique. [0020] Selon une variante, les réponses vibratoires sont déterminées pour des noeuds de maillage sur la paroi entre les nervures, les critères de réponse vibratoire à respecter étant des seuils de réponse vibratoire pour ces noeuds. [0021] Selon une autre variante, lesdits seuils sont déterminés en fonction des réponses vibratoires simulées pour les premier et deuxième modèles numériques. [0022] Selon encore une variante, on élimine dans le troisième modèle numérique les nervures pour lesquelles la rigidité obtenue suite aux itérations de calculs d'éléments finis est inférieure à un seuil prédéterminé. [0023] Selon encore une autre variante, le procédé comprend une étape de maillage des nervures et la connexion des noeuds de ce maillage à des noeuds d'un maillage de la paroi lors de la génération du deuxième modèle numérique. [0024] 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 au troisième modèle numérique. [0025] 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 : [0026] 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 ; [0027] la figure 2 est une vue en perspective d'un deuxième modèle numérique du bloc cylindre modifié de la figure 1 ; [0028] les figures 3 et 4 sont des diagrammes de réponse vibratoire de différents modèles numériques du bloc cylindre ; [0029] la figure 5 est une vue en perspective du nervurage du modèle de la figure 2 illustrant la densité des nervures à la fin du processus d'optimisation ; [0030] la figure 6 est un logigramme d'un procédé de conception selon un mode de réalisation de l'invention. [0031] 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. [0032] 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. [0033] Lors d'une étape 104, on sélectionne une paroi du premier modèle numérique devant subir une optimisation de comportement vibratoire et étant apte à recevoir un réseau de nervures. En l'occurrence, la paroi 3 est sélectionnée pour recevoir un réseau de nervures. Plusieurs parois peuvent bien entendu être sélectionnées pour recevoir des nervures. [0034] Lors d'une étape 106, les concepteurs pourront également fixer des paramètres définissant un nervurage maximal 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), ainsi que le pas minimal 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 telles qu'une aptitude à être démoulées et à résister mécaniquement. [0035] Un deuxième modèle numérique de la pièce est généré à partir du premier modèle numérique et de son maillage, en accolant un nervurage maximal à la paroi sélectionnée en prenant en compte les paramètres fixés. Un exemple de deuxième modèle numérique est illustré à la figure 2. Ce nervurage pourra par exemple être ajouté automatiquement au moyen d'une application spécifique développée pour le logiciel commercialisé sous la marque Catia. Les nervures 2 ajoutées lors de l'étape 106 présentent une densité d'implantation maximale au vu de la géométrie de la pièce et de ses contraintes de fabrication. Le deuxième modèle numérique spécifie les propriétés mécaniques (masse, dimensions géométriques et modules d'élasticité) des nervures ajoutées. [0036] Lors d'une étape 108, les nervures ajoutées font l'objet d'un maillage en vue de calculs par éléments finis. Les noeuds du maillage des nervures venant en contact avec la paroi sélectionnée pourront être raccordés selon des relations linéaires avec les trois noeuds les plus proches de la paroi du bloc cylindre sectionnée. Un raccordement du maillage des nervures avec le maillage de la paroi pourra par exemple être réalisé au moyen d'un logiciel commercialisé sous la marque Virtual.Lab. Une compatibilité entre le maillage des nervures et le maillage de la paroi sélectionnée est ainsi aisément obtenue. Chaque nervure ajoutée fait l'objet d'un maillage bidimensionnel, afin de faciliter les étapes de calculs ultérieures. [0037] Lors d'une étape 110, le premier modèle numérique maillé fait l'objet d'une simulation numérique en lui appliquant une excitation vibratoire. La réponse vibratoire du premier modèle numérique est mesurée pour un ensemble de points de référence. [0038] Lors d'une étape 112, le deuxième modèle numérique maillé fait l'objet d'une simulation numérique en lui appliquant une excitation vibratoire. La réponse vibratoire du deuxième modèle numérique est mesurée pour le même ensemble de points de référence. [0039] Lors des étapes 110 et 112, on détermine les déplacements au niveau d'un certain nombre de noeuds du maillage présélectionnés à la fois dans le premier modèle numérique et dans le deuxième modèle numérique. Ces points 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. [0040] Les figures 3 et 4 illustrent des réponses vibratoires d'un noeud du maillage au niveau d'une nervure lors d'une excitation. La figure 3 illustre une réponse par tiers d'octave (permettant une analyse plus générale du phénomène vibratoire), la figure 4 illustrant une réponse en continu sur le spectre fréquentiel (permettant une analyse plus portée sur les pics du phénomène vibratoire). [0041] Aux figures 3 et 4, la courbe illustrée en trait continu correspond à la réponse vibratoire du deuxième modèle numérique, la courbe illustrée en pointillés correspond à la réponse vibratoire du premier modèle numérique, et la courbe en trait discontinu correspond à la réponse d'un troisième modèle numérique généré à l'issue de la conception. On constate que le deuxième modèle numérique présente une plus grande atténuation sur quasiment l'ensemble du spectre vibratoire. Le deuxième modèle numérique correspond en effet à la densité maximale de nervures envisageable, induisant a priori une amplitude vibratoire minimale. Les réponses vibratoires peuvent être obtenues au moyen de différentes solutions logicielles, par exemple les solutions logicielles commercialisées sous les marques Nastran, Abaqus, Optistruct ou Ansys. [0042] La surface entre la courbe de réponse vibratoire du premier modèle numérique et la courbe de réponse vibratoire du deuxième modèle numérique définit approximativement le domaine vibratoire qui va pouvoir être obtenu au moyen d'un troisième modèle numérique généré ultérieurement. La courbe de réponse du premier modèle numérique et la courbe de réponse du deuxième modèle numérique définissent ainsi une enveloppe de réponse vibratoire de la pièce mécanique, correspondant sensiblement au gain vibratoire potentiel avec l'utilisation des nervures. Le gain vibratoire n'est cependant pas rigoureusement circonscrit dans cette enveloppe, la présence ou l'absence de nervures décalant notamment les fréquences de résonance des différents modèles numériques. [0043] À l'étape 114, des contraintes d'optimisation sont fixées en fonction des réponses vibratoires obtenues pour les premier et deuxième modèles numériques. Les contraintes d'optimisation comprennent le paramètre des nervures à optimiser, en l'occurrence leur masse. Les contraintes d'optimisation comprennent également des seuils de réponse vibratoire souhaités pour les nervures devant être sélectionnées dans un troisième modèle numérique. Les seuils de réponse vibratoire pourront par exemple être définis pour les noeuds du maillage présélectionnés, en fixant par exemple des seuils maximum de vibrations dans une gamme de fréquence prédéfinie. Les seuils de réponse vibratoire seront définis comme des valeurs intermédiaires entre la réponse vibratoire du premier modèle numérique et la réponse vibratoire du deuxième modèle numérique. Les seuils de réponse vibratoire pourront être définis comme des pics vibratoires ou des moyennes vibratoires sur une plage de fréquence. Les seuils de réponse vibratoire pourront être définis comme une proportion du gain vibratoire envisageable par rapport à la réponse vibratoire du premier modèle numérique. Les seuils pourront par exemple être définis pour des plages de fréquences prédéterminées plus significatives pour le fonctionnement de la pièce mécanique, par exemple entre 2100 et 2300 Hertz pour un bloc cylindre. [0044] À la fin de l'étape 114, on génère un fichier de commande d'un logiciel d'optimisation vibratoire de structure, tel que le logiciel commercialisé sous la marque Optistruct. Le fichier de commande généré définit ainsi les seuils de réponse vibratoire tolérés pour les noeuds du maillage présélectionné, ainsi que le paramètre à optimiser, à savoir la masse des nervures. [0045] À l'étape 116, le fichier de commande généré est exécuté sur le logiciel d'optimisation vibratoire. Sur la base du deuxième modèle numérique, le logiciel d'optimisation vibratoire détermine de façon itérative les nervures ayant une incidence significative sur la réponse vibratoire du deuxième modèle numérique. À chaque itération, le logiciel d'optimisation vibratoire calcule une valeur de densité pour les éléments finis des nervures du deuxième modèle numérique. Plus la valeur de densité d'un élément fini d'une nervure est élevée, plus cette nervure à une incidence positive sur la réduction de l'amplitude vibratoire. À la fin de chaque itération, la densité associée à un élément fini définit sa pondération sur la réduction de l'amplitude vibratoire. Cette densité peut être représentative de la masse d'un élément fini ou de son module d'élasticité, pouvant être modifiées à chaque itération. À la fin de chaque itération, le logiciel d'optimisation détermine si la pondération attribuée aux éléments finis des nervures permet de satisfaire les seuils définis dans les contraintes de réponse vibratoire. Lorsque le logiciel d'optimisation a déterminé qu'une nouvelle pondération attribuée aux différents éléments finis ne satisfait plus les seuils définis de contraintes vibratoires, le processus itératif est interrompu et la pondération précédente attribuée aux différents éléments finis est retenue. Les densités peuvent par exemple être exprimées sous la forme de valeurs numériques variant entre une valeur 0 et une valeur 1. [0046] À l'étape 118, un troisième modèle numérique est généré en partant du deuxième modèle numérique de en ne conservant que les nervures pour lesquelles une densité suffisamment significative est obtenue à la fin de la dernière itération satisfaisant les seuils de contraintes vibratoires. Les autres nervures sont éliminées du troisième modèle numérique, ce qui permet de réduire la masse des nervures par rapport au deuxième modèle numérique. [0047] Sur la figure 5, on illustre la forme géométrique des nervures 2, en représentant l'amplitude de la densité obtenue pour les différents éléments finis des nervures. L'amplitude de la densité est représentée par un niveau plus ou moins foncé des nervures. [0048] À la figure 5, les nervures encadrées dans les zones 21 et 22 correspondent aux nervures conservées dans le troisième modèle numérique, leur densité calculée lors de la simulation du deuxième modèle numérique ayant franchi le seuil prédéterminé. A contrario, les nervures encadrées dans les zones 23 et 24 correspondent à des nervures peu significatives pour influencer la réponse vibratoire de la pièce mécanique : ces nervures sont éliminées lors de la génération du troisième modèle numérique. [0049] À l'étape 120, le troisième modèle numérique peut faire l'objet d'une simulation de réponse vibratoire pour valider la sélection des nervures et déterminer plus précisément la réponse vibratoire de ce troisième modèle numérique. Des modifications de l'implantation des nervures peuvent alors être réalisées. [0050] Dans l'exemple des figures 3 et 4, on constate que la sélection des nervures et la génération du troisième modèle numérique aboutit à une réponse vibratoire fortement améliorée par rapport au premier modèle numérique, et relativement proche de la réponse vibratoire du deuxième modèle numérique. [0051] À l'étape 122, une pièce mécanique conforme au troisième modèle numérique peut être fabriquée. [0052] Les premier et deuxième modèles numériques illustrés aux figures 2 ne comprennent qu'un bloc cylindre dont la réponse vibratoire est étudiée. Cependant, on pourra simuler la réponse vibratoire sur une seule pièce mécanique en lui accolant un modèle numérique d'un ensemble d'autres pièces mécaniques qui lui sont accolées. 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. [0053] 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 les deuxième et troisième modèles numériques générés pour la pièce mécanique. REVENDICATIONS1. 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 : - la sélection (104) d'une paroi de la pièce mécanique apte à comporter des nervures ; - la génération (106,108) d'un deuxième modèle numérique de la pièce mécanique, incluant des nervures s'étendant en saillie depuis ladite paroi, le deuxième modèle numérique incluant les nervures étant configuré pour être simulé selon des calculs d'éléments finis ; - la simulation (110,112) de réponses vibratoires respectives des premier et deuxième modèles numériques ; - la génération (114) d'instructions de commande définissant la masse comme un paramètre à optimiser dans un troisième modèle numérique et définissant des critères de réponse vibratoire à respecter par ledit troisième modèle numérique, en fonction des réponses vibratoires des premier et deuxième modèles numériques ; - dans un calculateur électronique, en partant du deuxième modèle numérique, l'exécution (116) des instructions de commande pour réaliser automatiquement des itérations de calculs d'éléments finis, chaque itération comprenant au moins une réduction de la rigidité d'une nervure et une simulation de réponse vibratoire du modèle ainsi obtenu ; - la sélection d'un modèle obtenu lors d'une itération, modèle dans lequel la rigidité de certaines nervures a été réduite et dont la réponse vibratoire satisfait aux critères de réponse vibratoire définis ; - la génération (118) d'un troisième modèle numérique en éliminant des nervures du deuxième modèle numérique, nervures pour lesquelles la rigidité a été réduite durant les itérations de calculs d'éléments finis. 2. Procédé de conception d'une pièce mécanique (1) selon la revendication 1, dans lequel le deuxième modèle numérique comprend une densité maximale d'implantation des nervures (2) sur ladite paroi (3). 3. Procédé de conception d'une pièce mécanique selon la revendication 1 ou 2, dans lequel le premier modèle numérique représente un bloc cylindre 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 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 la simulation de la réponse vibratoire du troisième modèle numérique. 6. Procédé de conception d'une pièce mécanique sur l'une quelconque revendications précédentes, dans lequel les réponses vibratoires sont déterminées pour des noeuds de maillage sur la paroi entre les nervures, les critères de réponse vibratoire à respecter étant des seuils de réponse vibratoire pour ces noeuds. 7. Procédé de conception d'une pièce mécanique selon la revendication 6, dans lequel lesdits seuils sont déterminés en fonction des réponses vibratoires simulées pour les premier et deuxième modèles numériques. 8. Procédé de conception d'une pièce mécanique selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel on élimine dans le troisième modèle numérique les nervures pour lesquelles la rigidité obtenue suite aux itérations de calculs d'éléments finis est inférieure à un seuil prédéterminé. 9. Procédé de conception d'une pièce mécanique selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant une étape de maillage des nervures et la connexion des noeuds de ce maillage à des noeuds d'un maillage de la paroi lors de la génération du deuxième modèle numérique. 10. 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 au troisième modèle numérique.