Hmomixer Etude des sollicitations du corps d preuve TP 2 heures Noms : Prnoms : Classe : Date : Note : /20 Objectifs A l issue de la sance vous devez être en mesure : - de dire de quelle nature est la relation entre les dformations et la masse applique au capteur ; - d expliquer l intrêt de la gomtrie intrieure d un capteur de pesage ; - de dire de quelle nature est la relation entre la tension en sortie de capteur et les dformations (et donc la masse) ; - d identifier la sensibilit d un capteur de pesage ; - d expliquer pourquoi on obtient une masse à vide «virtuelle» faible et dans quel but. Nous nous intresserons plus particulièrement à l cart entre le système rel et le système simul. Matriel ncessaire - D un ordinateur ; - Du logiciel SolidWorks 2010 avec l outil de simulation ; - Des modèles volumiques ncessaires à l tude ; - Des ressources ncessaires à l tude. Page 1/9
Problème technique La socit HEMOPHARM, spcialise dans la commercialisation d appareils mdicaux à dvelopp un automate de prlèvement automatique de sang. Cet automate permet de prlever le sang, et s arrête dès que le poids (volume) dsir est atteint. Vous êtes Ingnieur dveloppement auprès de la socit HEMOPHARM qui dsire innover et souhaite renouveler son offre d automate. La conception ncessite la mise en place d un modèle numrique du système. On vous demande de valider le modèle du corps d preuve du capteur de pesage utilis. Ensemble pes à vide Ensemble pes à vide Capteur de pesage - L ensemble pes à vide : l ensemble des lments mcaniques fixs à l autre extrmit du capteur (plateau, support, trier, motorducteur, chaine mcanique d agitation,...) permettant l agitation et le support des poches, et dont la masse totale reprsente la masse à vide mesure par le capteur de pesage ; - Capteur de pesage : le capteur de pesage seul, modlis au mieux pour être le plus proche des dimensions relles de celui-ci, fix à l une de ses extrmits au châssis du système (non reprsent ici). Loi de dformation du capteur de pesage La masse à vide du dispositif de pesage est de 620 g Pour des raisons de «facilit» de simulation, nous ne ferons l tude que sur le capteur de pesage seul. Lancez SolidWorks et chargez le fichier «capteur_de_pesage.sldprt». Le capteur de pesage est constitu d une barre en aluminium, et de 4 jauges de contraintes situ en R1, R2, R3, R4 (non prsentes dans le modèle SW). Leur rsistance lectrique varie en fonction de la dformation du capteur. Page 2/9
Nous allons dfinir la loi de dformation du capteur en fonction de la masse prsente sur le plateau. Pour cela, vous allez raliser trois tudes des dformations du capteur : Une à vide, en appliquant la masse donne prcdemment ; Une deuxième avec une masse de 500 g (+ la masse à vide) ; Et une troisième avec une masse de 1000 g (+ la masse à vide). Pour chaque tude, vous tudierez les dformations suivant l axe longitudinal du capteur (axe x), à l aide du complment logiciel «Simulation» intgr à SolidWorks. a. Activation de «Simulation» Si vous avez l onglet «Simulation» apparent vous pouvez passer à la cration de l tude. Sinon activez le complment «Simulation» : Outils / Complments, puis activez l onglet simulation : Affichage / Barre d outils / Simulation b. Cration de l tude Après avoir cliqu sur «Nouvelle tude», apparait une fenêtre permettant de dfinir la nouvelle tude. Mettez comme nom : «Dformations capteur» et choisissez une tude «Statique», avant de valider. Vous devriez obtenir la fenêtre ci-dessous : Page 3/9
Barre d outils de simulation Arbre de simulation Onglet de fenêtre de simulation c. Application du matriau Afin d effectuer la simulation statique, le simulateur doit connaitre les caractristiques mcaniques de la pièce, relatives au type de matriau employ. Il nous faut donc obligatoirement spcifier un matriau. Cliquez à droite sur le «capteur_de_pesage» dans l arbre de simulation, puis sur «Appliquer/Editer matriau». Choisir un alliage d aluminium (type Alliage 6061), avant d «Appliquer» puis de fermer la fenêtre «Matriau». Votre capteur doit alors être valid en vert dans l arbre. d. Cration d un dplacement impos Nous allons simuler la fixation d une des extrmits du capteur sur le châssis. Comme cette extrmit est fixe cela correspond à lui imposer une gomtrie fixe. Cliquez à droite sur le «Dplacements imposs» dans l arbre de simulation, puis sur «Gomtrie fixe». Choisissez la face à fixer, puis validez en cliquant sur le bouton «OK». Page 4/9
e. Cration d un chargement externe Nous allons simuler maintenant la masse rsultante applique au capteur au niveau de sa liaison encastrement avec l ensemble pes à vide. Cela correspond à imposer une force sur la face intervenant dans la liaison. Q1. Donnez la valeur de la force P en N correspondant à la masse à vide. (Rappel : P = m x g, avec g = 9,81m.s -2 ) Cliquez à droite sur le «Chargements externes» dans l arbre de simulation, puis sur «Force». Choisissez la face suprieure de l autre extrmit, puis renseigner la valeur de la force. Validez en cliquant sur le bouton «OK». Vous devriez obtenir ceci : Page 5/9
? f. Cration du maillage Afin de pouvoir calculer les dformations, le simulateur effectue ce que l on appelle un maillage : cela consiste à «dcouper» la pièce en petits triangles (en 3D on parle de ttrahèdres), où les calculs vont être effectus en chaque sommet, ou «nœuds». On parle de rsolution par «lments finis». Cliquez à droite sur «Maillage» dans l arbre de simulation, puis sur «Mailler et excuter». g. Simulation et exploitation des rsultats Nous pouvons maintenant tracer les dformations qui nous intressent. Cliquez à droite sur «Rsultats» dans l arbre de simulation, puis sur «Dfinir un trac de simulation». Slectionner les dformations selon l axe longitudinal EPSX. Slectionnez «Modèle dform» et slectionnez «Automatique» : cela vous permettra de voir les dformations de manière amplifie, puis valider pour finir. Vous venez d obtenir votre première simulation d une dformation! Page 6/9
Q2. Quelles jauges sont situes aux endroits d longation maximale (dformation positive maximale, en rouge)? Q3. Quelles jauges sont situes aux endroits de rtrcissement maximal (dformation ngative maximale, en bleu)? Q4. Relever le taux de dformation (valeurs affiches en lgende) pour les jauges R1 et R2, en considrant qu elles correspondent aux dformations maximales, et remplir le tableau suivant : Contenu du plateau R1 R2 Plateau vide «Poids» de 500 g «Poids» de 1000 g Remarque : vous venez de faire la simulation «à vide» de l ensemble agitation. Pour simuler la dformation obtenue pour les 2 autres masses, il vous faut modifier la force impose pour les 2 autres simulations (double-cliquez sur la force dans l arbre de simulation), puis relancer la simulation de l ensemble (bouton «Excuter»). N oubliez pas de rajouter la masse à vide pour les masses de 500 et 1000 g! h. Loi de variation de la dformation Il devrait exister une loi de proportionnalit entre la dformation du capteur et la masse, nous allons donc vrifier que la relation liant la masse à la dformation est du type : où : { Q5. Calculez le coefficient G pour la masse de 1000 g (tenir compte de la masse à vide bien sûr) pour chaque valeur obtenue en R1, R2 (en valeur absolue). Q6. En dduire le coefficient G, valeur moyenne de ces 2 valeurs. Q7. Complter le tableau suivant pour diffrents contenus du plateau. Contenu du plateau masse de l ensemble (g) G moyen Plateau vide Page 7/9
«Poids» de 500 g «Poids» de 1000 g Q8. Au vu des valeurs obtenues, que peut-on conclure sur la relation entre la masse et les dformations? : Gomtrie du capteur Nous allons voir maintenant quelle est l influence de la forme intrieure du corps d preuve. Cliquez à droite sur «Enlèv. mat.-extru.1» dans l arbre de construction, puis sur «Supprimer». Refaire les analyses de dformation pour la masse de 1 kg. Q9. Que deviennent les dformations longitudinales? Q10. Quel est l intrêt de la forme intrieure du capteur? Sensibilit de la jauge de contraintes Chaque jauge de contraintes Ri prsente une rsistance dont les variations sont proportionnelles à la dformation. Montes en pont de Wheatstone, elles permettent d obtenir une tension elle aussi proportionnelle aux dformations, et donc à la masse applique sur le capteur : où : { On dfinit la sensibilit du capteur (en mv/v), par la relation suivante : Page 8/9
où s appelle la capacit nominale du capteur (en kg). C est donc la tension que l on mesurerait si on appliquait une masse de kg en alimentant le capteur sous 1 V. Nous allons mesurer cette sensibilit obtenue par la simulation et comparer cette valeur aux donnes constructeur. a. Donnes constructeur La capacit nominale du capteur est = 4 kg La sensibilit nominale du capteur, ainsi que sa tolrance sont S = 2 mv/v à ± 10 % b. Mesure par simulation Sous Simulation, modifiez la force applique au capteur pour qu elle corresponde à la masse remettre la gomtrie intrieure supprime prcdemment, en annulant sa suppression) ;. (Pensez à Relancez la simulation afin d obtenir les dformations correspondantes ; Q11. Remplir le tableau suivant : Masse sur capteur R1 R2 Capacit nominale Q12. Quelle est la dformation moyenne obtenue en prenant en compte R1 et R2 (en valeur absolue)? Q13. En dduire la sensibilit S, sachant que le facteur de jauge K pour de l aluminium vaut 2 : Q14. Conclure quant à la validit du modèle : Page 9/9