Thème d étude : Pompe à excentrique

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1 TP 2 et 3 Construction Mécanique 3 ième année Thème d étude : Pompe à excentrique Télécharger à partir du site et enregistrer les 4 fichiers dans un dossier SimDesigner R4 WBE CATIA V5R19.lnk Attention ne pas lancer Catia mais lancer Catia avec l application SD activée. Ouvrir l assemblage pompe ex ini qui contient le bâti, l arbre et le piston. ce qui va lancer Démarrer Maquette numérique SD motion workbench, un nouvel onglet «SD motion» apparait Dans l'aide de Simdesigner: Structure : Eléments Finis Non linéaire grande déformation Motion : Etude cinématique et dynamique des mécanismes Flex : motion + structure Crash: crash test c'est-à-dire grandes déformations Dans motion/reference : toutes les fonctions sont expliquées, par exemple screw joint= seulement relation entre rotation et translation, il faut ajouter une pivot glissant Il y a aussi des exercices à faire en autonomie Présentation du mécanisme Créer un mécanisme sans convertir les contraintes d assemblage en Liaison «New mechanism» Propriété mécanisme sans gravité : «none» Dans l onglet simulation «dynamic» prend en compte les forces d inertie Dans solver on l utilise quand le calcul échoue Définir le bâti comme la référence (cad le bâti!) «Add ground part» Créer une liaison «Add constrainte», explication des différentes liaisons liaisons simples (sauf screw joint = seulement relation entre rotation et translation, il faut ajouter une pivot glissant) pour les primitives voir aide «Joint Primitive» (dans le tableau les degrés de libertés supprimés sont indiqués) : Pontuelle = point sur plan (in plane) Linéaire annulaire = point sur ligne (in ligne) body/body : quand il y a interférence, il crée une force de contact caractérisée par une raideur et un amortissement coupler : pour coupler 2 pièces en rotation / translation : exemple courroie ou engrenage, pignon crémaillère, Créer une liaison pivot «Add constrainte : revolute joint» entre le bâti et l arbre «location» point centre du cercle en bout d arbre et l axe (qui doit être propre à l arbre). Renommer joint1 : «Pivot bati arbre y» y par rapport au repère global, 1 / 7

2 Créer un mouvement «motion» vélocité constante 60tr/mn, renommer ce motion «60tr/min» Simuler dynamique / durée 1s «simulate» Montrer dans le post processeur l intérêt de renommer Renommer resulte 1 : mvt arbre 60tr_mn no G (donner la valeur de la vitesse dans le nom) Remarque : Renommer toutes les liaisons pour le projet construction sinon 0! Animer dans catia Lancer postprocesseur adams : «plot» Animer avec les différentes options Cliquer Page 1 pour tracer des courbes Source : objet ou result ; dans objects constraint sont les liaisons, Dans source Objet/contrainte/pivot/element de force /X Qu'est ce que c'est? Torseur des actions mécaniques pour une liaison pivot d'axe y {X L} {AM1->2}={Y 0} {Z N} (dans le repère global de Catia) au point?: définition de la liaison On peut afficher la résultante des forces sur l'animation : Edit/préférence/animation/Force scale mettre 100 Tracer : pivot bati arbre : Fx, Fz observer le déphasage, Fmag justifier l existence de ces efforts Effort de balourd Fz=R cos(alpha) Fx=R sin(alpha) Déphasé de PI/2 R z On peut voir les moments sur l'affichage mettre en scale 2000 Tracer : pivot bati arbre : Mx, My, Mz justifier Changer le point de location de la pivot, lancer le calcul. Renommer le résultat du calcul mvt arbre 60trmn no G no piston. Visualiser les 2 calculs : pas de modification des résultantes mes changement des moments (torque) car les résultantes sont identiques (indépendant du point) mais les moments dépendent du point MA=MB + AB^R Changer la valeur de la vélocité du motion de 60 à 3000 tr/mn Renommer joint motion 1 : «mvt arbre 3000tr_mn y» Renommer resulte 2 : mvt arbre 3000tr_mn no G no piston Cliquer Page 1 pour tracer des courbes, result, sélectionner 60 et 3000tr/mn Tracer les résultats Fx : par défaut on a le temps en abscisse : on ne peut pas comparer les 2 directement. On prend en «independent axis»: data puis on choisi pour l'arbre 1 theta (=rotation autour de y). Il dessine sur 180 puis il revient On utilise le tracking pour lire sur 360. On a le résultat tout les degrés car 360 frames. Mesurer la différence d effort explication du balourd (Comparer pivot bâti arbre : Fmag) m x alpha ω r 2 / 7

3 F = m r ω² = m r (60*2*PI/60)² ou = m r (50*60*2*PI/60)² --> Rapport de 50²=2500 Créer une liaison pivot glissante «Add constrainte : cylindrical joint» entre le bati et le piston «location» point centre du cercle en haut du bati. Renommer joint2 : «PG bati piston z» Liaison entre le piston et la partie excentrique Curve point impossible car il faut toujours le même point en contact et boby body c est trop lourd Créer une liaison contact courbe courbe «Add constrainte : curve/curve contact» le piston (2 ème ) sélection du cercle en bout d arbre et l arête du piston tangente. Prendre 40 points par courbe (discrétisation) Rq courbe ouverte et l autre fermée. Ne pas cocher intermittent (on veut un contact bilatéral ça pousse et ça tire) entre l arbre (1 er ) et Renommer contact : «contact arbre piston z» Renommer resulte : mvt arbre 3000tr_mn no G contact bilat Animer on voit la force de contact de l arbre sur le piston en bout de l arbre (comme défini) qui change de sens. Ce n est pas physiquement possible Tracer : «contact arbre pistons» Fx, Fy, Fz analyser les courbes, Fz est la normale du contact En réalité on a Fz soit toujours positif soit toujours négatif. Modifier le «contact arbre piston z» cocher intermittent choisir les valeurs par défauts Attention au sens de la matière (les flèches doivent être dirigées vers la matière); Dans l onglet contact, le contact se comporte comme les force de contact de type Hertz avec un ressort et un amortissement, Force de contact : Fc = K ( l) exponent + C V ; V = vitesse Stiffness : La raideur K ; Exponent (donne la non linéarité) Damping : amortissement C : crée une force proportionnelle à la vitesse V Penetration : c'est la valeur pour laquelle le coefficient C est au maximum Pour un cas parfait : Au moment de la pénétration problèmes numériques Friction : les vitesses sont les valeurs pour lesquelles on prend en compte le frottement. On a toujours µstatique > µdynamique. On prend le frottement nul (off) Lancer la visu sur catia pour voir le piston partir Renommer resulte : mvt arbre 3000tr_mn no G contact inter Animer : le piston tombe! Tracer : «contact arbre piston» Fx, Fy, Fz analyser les courbes Pour le cas unilatéral, à t=0 pas de contact, puis contact après le 1er incrément ce qui produit un choc puis la courbe suit la forme du cas parfait (bilatéral) avec une vibration amortie, Comparer Fx sur la liaison avec ou sans frottement que l on retrouve sur la liaison pivot 3 / 7

4 Mesurer sur le contact bilatéral la valeur mini de l effort du piston (485N) on prend 500N au point mort bas, PMH PMB course du piston= 2* excentricité, On regarde sur la courbe de déplacement du piston en z pour le contact bilatéral pour trouver course = 30mm On prend un ressort entre le bas du piston et le dessus du bâti: on va dans Démarrer/Conception mécanique/ Assembly design pour mesurer la distance entre les deux --> 50mm On revient sur Démarrer->Maquette numérique -> SD motion workbench Il faut donc un ressort de longueur à vide 50mm + 5mm de précharge (10%) = 55mm et d'une raideur K=F/ l=500/(30+5)=14,286 N/mm Créer un ressort entre le dessus du bati et le dessous du piston : «SD motion -add force : translational spring» 1 er composant bâti, 2eme le piston, point les cercles pour avoir une bonne direction K = 14286N/m Lo = 55mm Renommer la force : ressort K14286 Lo55 Renommer resulte : mvt arbre 3000tr_mn no G contact inter K14286 Lo55 Animer : le piston reste en contact OK Tracer : «contact arbre piston» en bilatéral, unilateral sans ressort et unilatéral avec ressort Fz analyser les courbes : Fz tjs négatif, choc puis oscillations amorties (régime transitoire). Comment obtenir le couple moteur pour comprimer le piston? Tracer : «mvt arbre 3000tr_mn y» Ty : ça correspond au couple moteur nécessaire pour avoir le mvt de l arbre à la vitesse constante de 3000tr/mn car on a imposer un mouvement On ajoute la pression du fluide, pression de refoulement Pr = 100 bar Pression admission : Pa = - 0,5 bar (max -1bar) Pabsolue Pr F= 100*10 5 *PI*(10*10-3 )² = 3140N PMH PMB 0,01s 0,02s t Fas= -0,5*10 5 *PI*(10*10-3 )²=-15N Add Force : 4 / 7

5 Action only action réaction Regarder dans l'aide pour voir les différences On prend Action Only car il n'y a pas de réaction sur le système - appliquer sur le piston - référence bâti - location : centre du cercle inférieur du piston - direction : axe piston ou bati On voit le trièdre et on peut l'orienter Force = 3140N Il y a deux possibilités : soit on fait le calcul sur le refoulement avec Fconst=3140N puis on fait le calcul en admission avec Fconst=-15N Ou bien on fait une Spline (cubic) et on définit les points : t F , , ,01 0 0, , ,02-15 Renommer la force : Force_huile Lancer la simulation Renommer le résultat: mvt arbre 3000tr_min y no G contact unilat k14286 Lo55 FH cubic On lance l'animation, Si le piston part n'importe où, c'est qu'il y a un défaut d'orientation de la force Y a t il décollement du piston dû à la force d'aspiration? On regarde l'effort en z du contact arbre-piston : si =0 c'est qu'il y a décollement, On peut tracer la courbe de la force du fluide : il y a des oscillations et il faut plein de point pour bien représenter--> On essaye avec AKIMA, Nouveau calcul et renommer les résultats: mvt arbre 3000tr_min y no G contact unilat k14286 Lo55 FH akima Comparer les résultats des forces du fluide avec cubic et Akima : Akima représente mieux la force On trace la courbe Fz du contact_abre_piston en akima --> on voit une force nulle au moment du décollement du piston dû à l'aspiration. Il y a 2 solutions : augmenter la raideur du piston ou modifier la précharge, Pour connaître la force du ressort pour ne pas avoir de décollement, on relance un calcul avec un contact bilatéral, Renommer le résultat: mvt arbre 3000tr_min y no G contact bilat k14286 Lo55 FH akima, On trace la force Fz au niveau du contact : la force est toujours>0!!! --> Est ce illogique? Non car avec le contact bilatéral il n'y a pas de choc au départ. Mesure du couple moteur : Tracer le moment Ty au niveau de mvt_arbre : au départ pour le refoulement le moteur qui fournit de l'énergie puis ça change de signe car c'est le piston qui founit l'énergie (restitution de l'énergie du ressort). Pour avoir la puissance, on multiplie le couple par la vitesse de l'arbre (qui est constante par définition du mouvement d'entrée) on la retrouve en choisissant l'arbre et WY, 5 / 7

6 F=-CV Ajouter un amortisseur linéaire c = 10kg/s entre le bâti et piston pour simuler la force de résistance visqueuse. On vient mesurer la vitesse maxi du piston et on estime que la force visqueuse maxi est de 10N M a = F = - C V Kg m/s²=kg/s m/s 10N=C*4,728m/s C=2 en kg/s c est l ordre de grandeur qui est important. Pour avoir le couple on prend mvt_arbre_3000tr_mn / TY View /page / page layout pour obtenir la visualisation de la courbe du couple moteur et le mouvement du mécanisme. Sur la courbe du couple, il y a plus de surface au dessus de l axe des abscisses (on fournit de l énergie) que le surface en dessous (on récupère de l énergie) on doit fournir de l énergie. On utilise average pour avoir la moyenne. Que ce passe t il si au lieu d imposer une vitesse en entrée on impose un couple égal au maxi mesuré avant? Add force / action only torque (cf aide pour les autres torques) - 1 er : arbre - 2 ème : bâti - Location: cercle de l arbre (ça ne change en rien la position sur l arbre du moment que c est centré) - Valeur : 55N.m Attention au sens de la valeur du couple pour tourner dans le même sens que tout à l heure. En appuyant sur le bouton à double flèche on change le sens du trièdre et donc la flèche de direction du couple Changer de nom : couple_moteur_55n.m Changer le mvt d entrée en free Simulation : pour la durée on ne connaît pas pour faire un tour. On commence par 0.1s pour voir. On a un warning : durée du calcul>définition de la spline de la force hydraulique. Par contre pour la force de refoulement : on l a définie en durée mais cela ne correspond plus au cycle. Animation : la force de l huile est à 1250N puis à -15N et reste à -15N. Le ressort passe de l autre côté puis oscille la tête en bas pas physique attention aux résultats du logiciel. Maintenant on met le couple à 20N.m puis 10 N.m. Sur le mvt de l arbre, ça bloque à un moment puis ça repart car la pression hydraulique (spline) chute ce qui permet de redémarrer. On affiche la force hydraulique et la vitesse angulaire de l arbre (attention aux 2 échelles). Les discontinuités sur la courbe de la vitesse (qui diminue) sont dues aux chocs. Dans le cadre de votre projet, pour votre système c est intéressant de regarder la force nécessaire pour faire fonctionner votre mécanisme. Faire un bilan de toutes les démarches qu on a réalisées sur ce mécanisme. 6 / 7

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