B.FACHINETTI C.CHARTON 26/01/2016 Dimensionnement Des Structures 3D Clip de roulement I Introduction Pièce étudié: galet de guidage plastique pour machine à bois. Ce galet reçoit un roulement à billes qui est maintenue en position par une solution de type clipage. Trois clips sont présents et doivent se déformer chacun de 1,4 mm au rayon afin de laisser passer le diamètre externe du roulement (Ø34). La matière utilisée est du PA 6.6, dont les caractéristiques sont un module Young de 2000 MPa et une résistance pratique élastique de 70 MPa. Figure 3 : dimensions d'un clips y Figure 1 : galet étudié et ses clips Figure 2 : vue en coupe d'un clips x Problématique : valider la conception du clip actuel et éventuellement proposer des améliorations dimensionnelle afin de garantir un bon clipage (aucune déformation résiduelle après insertion du clip). Objectif : réduire les contraintes dans le clip et dans le cas d un changement de dimensions, le volume de matière sera calculé au minimum (optimisation coût de fabrication). II Étude des contraintes Les trois clips étant strictement identiques, l'étude sur un seul permettra la conclusion pour les trois. a) Calcul manuel : Avec une application des formules des abaques de flexion, on obtient un effort nécessaire au déplacement du clip de 15,56N et une contrainte de 77,8 Mpa au niveau de l encastrement. Il convient de ne prendre ce résultat que pour avoir un ordre d'idée des efforts subit par le clip. En effet, pour la détermination du moment quadratique la section d'origine courbée a été assimilée à une section rectangulaire. De plus, la longueur est trop courte pour une application propre de la théorie des poutres. Figure 4 : calcul de la contrainte dans une poutre en flexion
b) Calcul CREO : a) Modèle utilisé : Notre modèle mécanique est une section courbé encastré en un côté. Le congé de raccordement au support est de 0,5mm et l épaisseur du clip est de 1,5mm. Il est aussi composé d'un chargement de type déplacement sur l axe y (voir figure3) d une valeur de 1,4mm. Sur CREO, celui-ci a été placé sur l arrête supérieur du clip. Le blocage de la pièce est situé sur la face arrière interne du galet (derrière la base du clip). Figure 5 : position des blocages Figure 5 : position et orientation du déplacement b) Résultats brut : Utilisation de CREO Simulate, voir annexe 1 Sigma Von Mises Max : 91.66 Mpa c) Analyse : Figure 7 : résultats en coupe d'un clip de l'analyse Figure 6 : résultats de l'analyse On observe que le rayon de raccordement provoque une concentration de contrainte qui dépasse la limite élastique du matériau. Le clip dans sa configuration actuelle n'est pas viable.
III Optimisation a) Pistes d'optimisation : Nous avons identifié deux pistes d'amélioration pour avoir une meilleure résistance du clip. Le rayon de raccordement et l'épaisseur du clip vont être étudiés avec le module optimisation de CREO Simulate. Utilisation de l'optimisation CREO, voir annexe 2. Objectif de l optimisation: réduction de la masse (diminution du coût matière lors de l'injection) Limite de l'optimisation : contrainte de Von Mises maxi 70Mpa Un point fort de la fonction optimisation de CREO est de pouvoir prendre plusieurs critère en considération dans la même étude (résultats différents si réalisés indépendamment). Dans notre cas, nous avons demandé une étude sur le congé et l'épaisseur simultanément. Les plages de valeurs étaient : Pour le rayon : de 0,3mm à 1mm Pour l'épaisseur : de 0,5mm à 2mm CREO a déduit après étude que les meilleures dimensions étaient : Pour le rayon : 0,5 mm Pour l'épaisseur : 0,65 mm Par rapport au donnés de départ, cela se traduit par une non modification du rayon du congé (0,5mm au départ) et une diminution de l'épaisseur (1,5mm au départ). La contrainte résultante de ces changements de dimension est de 63 MPa. Le clip est maintenant correctement dimensionné par rapport au matériau utilisé. En effet, la réduction de l'épaisseur permet d'obtenir un clip plus souple et qui donc nécessite moins d'effort pour le mettre en mouvement. Ainsi on diminue la contrainte à l'encastrement. Cependant, ce changement n'est pas sans conséquence ailleurs, puisque la diminution de la section amène une diminution de la capacité du clip à encaisser des efforts axiaux. De plus, pour des besoin d'industrialisation et d'aspect de solidité nous avons imposé une épaisseur de 1mm ce qui nous donne 60Mpa de contrainte a l'encastrement.
IV Études des sections courbe Le module optimisation à fournis un résultat auquel on ne s'attendait pas, à savoir une réduction de l'épaisseur. Nous avons voulu regarder plus en détails le comportement des poutre a sections courbe a l'aide de CREO Simulate. Nous avons bloqué la face arrière du montage test et appliqué un déplacement de 20mm vers le haut sur la surface du bout de poutre. a) Poutre test: Figure 10 : esquisse de la section utilisée Figure 11:vue 3D avec chargement et blocages b) Variation de deux paramètres en simultané Nous avons inséré dans l'optimisation les valeurs d'angle et d'épaisseur de la section courbe en simultané. A l'origine les valeurs était de 20mm (d5) et 90 (d6). La plage de variation pour l'épaisseur était comprise entre 5mm et 25mm et pour l'angle entre 60 et 100. Figure 12: résultats 3D contraintes Figure 13: résultats optimisation c) Conclusion Pour réduire la contrainte dans une poutre à section courbe, la réduction de l'aire de la section est nécessaire afin d'obtenir une poutre plus souple.
V Résistance axial du clip Après avoir inséré les nouvelles dimension du clip validé lors des analyses précédente, nous avons été curieux de vérifier sa tenue dans le cas d'une charge axiale. CREO ne prenant pas en charge la rupture des pièces (à notre connaissance), nous avons quand même essayé de simuler un chargement sur la face droite du clip de 120N. Figure 14 : chargement et blocages du clip Figure 15 : résultats analyse effort axial sur clip Les résultats CREO Simulate oscillent entre 100 et 160 Mpa (hors point singulier). Or, d'après nos recherche, le PA6,6 à une limite à rupture de 150Mpa. De ce fait, à 120N sur la face droite du clip, ce dernier casse. L'étude sera à affiner pour une meilleur crédibilité des résultats.
Annexe 1 : Mode opératoire CREO Simulate On considère que l application Simulate est ouverte avec la pièce a étudié. Ordre à suivre : - Matériaux - Restrictions - Charges - Calcul - Analyse c Ruban CREO Simulate : d a b e 0 1 : Application du matériau 3 2 1 Vérifier d'être dans le mode structure (repère 0) Dans le ruban, section «Matières» (repère 1), importer la matière à utiliser depuis la bibliothèque par le menu «Matière» (repère a). Les flèches à droite de la liste permettent de charger/décharger les matières dans l étude en cours. Note importante : vérifier les valeurs des propriétés matières! Dans certaines matières, les propriétés sont incomplètes. Pour corriger ou rentrer les valeurs, clic droit propriétés. Dans un second temps, avec «Attribution du matériau» (repère b), appliquer le matériau a la pièce. Une étiquette apparaît attachée à la pièce, ce qui confirme la bonne application du matériau. 2 : Blocages Pour bloquer les degrés de liberté de la pièce il faut utiliser le menu «Déplacement» (repère c) dans la section «Restrictions» (repère 2) du ruban. La nouvelle fenêtre permet sur une surface de bloquer, libérer ou imposer un déplacement selon chaque degré de liberté. 3 : Charges La section «Charges» (repère 3) du ruban permets par ses sous menus d'appliquer sur une surface force/moment ou une pression (repères d). 4 : Calcul Dans le menu «Analyses et études» (repère e), fichier «créer une nouvelle analyse statique» Choisir les jeux de restrictions, jeux de charges et la convergence. Pour le choix de la convergence, se référer au cours de la MEF 3D. Après avoir validé, aller dans «Exécuter» «Paramètres» pour changer les répertoires de calcul pour «C:/Temp». Puis utilisez le drapeau vert permet de lancer les calculs 5 : Résultats Dans le menu «analyse et études» (repère e), le bouton «examiner les résultats» ouvre une nouvelle fenêtre de visualisation des résultats. Après avoir fait le choix de l'analyse à examiner, les menus déroulant en haut à gauche permettent de changer l'affichage (contraintes, déplacements, )
Annexe 2 : Mode opératoire optimisation CREO Simulate On considère qu une analyse à déjà effectué selon la procédure en annexe 1 (nécessaire à l optimisation) 1 : Nouvelle étude d'optimisation Dans le menu «analyse et études de conception», fichier «Nouvelle étude de conception et d'optimisation» La fenêtre suivante apparaît : Inscrire le nom de l étude. Choisir «Type : Optimisation» 2 : Choix objectif d'optimisation Exemples de choix disponible : Minimiser Maximiser total_mass max_stress_vm Minimiser la valeur absolue max_stress_xx Maximiser la valeur absolue max_stress_xy 3 : Choix une limite d'optimisation Exemples de choix disponible : total_mass max_stress_vm max_stress_xx max_stress_xy max_stress_yy max_stress_zz 4 : Sélection des paramètres à optimiser La sélection des côtes à étudier se fait après avoir cliqué sur «sélectionné une cote du modèle» à droite. En cliquant sur la forme du modèle à optimiser les cotes des esquisses apparaissent. (modifier éventuellement l'esquisse afin d'avoir la cote directe à analyser) Évidemment, plus le nombre de paramètres est grand et plus les plages sont grande, plus le calcul sera long 5 : Convergence : dans «options» choisir entre 5 % et 10 % Plus la convergence est petit, plus le temps de calcul est long 6 : Lecture des résultats : Dans la console «statut avancement de l'étude» la partie suivante fourni les résultats en fin de calcul. Les paramètres sont les cotes sélectionnées pour analyse et l objectif le résultat de la masse avec les nouvelles cotes.