Optimisation multidisciplinaire de machines

1
Optimisation multidisciplinaire de machines

• Projet proposé à la Fondation CETIM
• Mars 2005

2
De la modélisation à loptimisation un passage
difficile pour les entreprises

• Complexité croissante des modèles (nombre de
  ddls, nombre de disciplines, temps de calcul,
  expertise humaine).
• Les développements de la modélisation ont encore
  un impact limité sur la conception optimale.

3
Les causes (des limites des apports de la
modélisation à la conception)

• Les modèles tendent à être trop complexes pour
  être utilisés en optimisation.
• Est-il pertinent doptimiser des modèles (un peu)
  faux ?
• Les couplages entre critères de performance ne
  sont pas lobjet de la modélisation
• Lexpertise humaine en modélisation est difficile
  à pérenniser dans lentreprise.

4
OMD de machines une approche pragmatique et
moderne de la conception

• Optimisation multidisciplinaire une
  méthodologie de conception basée sur
• le développement de modèles simplifiés,
• loptimisation robuste (stabilité aussi
  importante que performance prédite),
• la relaxation des couplages entre disciplines,
• la mesure de sensibilité du design final aux
  sous-systèmes.

5
Le projet est inspiré de

• la  Multidisciplinary Optimization 
• une approche de la conception développée dans
  laéronautique (AIAA MAO conferences, Journal of
  structural and multidisciplinary optimization,
  NASA MDO Branch, )
• curieusement oubliée en France.

6
Un projet structurant

• Outre ses aspects scientifiques, lOMD de
  machines est un projet structurant pour
  lindustrie et la recherche publique car
• la collaboration entre acteurs industriels et
  universitaires est au centre de ses
  préoccupations,
• il organise la pluridisciplinarité.

7
Développement de modèles simplifiés
modèles physiques complexes (trop lourds
numériquement et humainement?)
expériences
modèles complexes simplifiés (POD, bases modales,
) modèles simples enrichis modèles appris à
partir dexpériences (rés. neurones, SVM,
surfaces de réponse, plans dexpériences)
modèles physiques (trop?) simples
8
Optimisation robuste et fiabiliste

• Modèles numériques avec un biais incertitudes
• Optimisation robuste et fiabiliste
• FORM, SORM, Monte Carlo, LHS, Surfaces de
  réponse
• Algèbre dintervalles, optimisation statistique

9
Relaxation des couplages entre disciplines
discipline structures structures aérodynamique
analyse u(xm ,xi ,p) u(xm ,xi ,p) p(xa , u)
couplages physiques à travers p et u couplages physiques à travers p et u couplages physiques à travers p et u couplages physiques à travers p et u
variables variables xm et xi xa
critères critères rupture(xm ,xi , u) , masse(xm) port.(xa , p)
couplages conception à travers port. limite (masse) et couplages physiques couplages conception à travers port. limite (masse) et couplages physiques couplages conception à travers port. limite (masse) et couplages physiques couplages conception à travers port. limite (masse) et couplages physiques
La gestion des interfaces permet de décomposer le
problème (CO, CSSO, )
10
Mesures de sensibilités
Elles quantifient la sensibilité de la
performance aux variations de ressources et de
variables et servent donc à orienter les efforts
de RD.

• Innovations sensibilités généralisées aux
• cas multidisciplinaire
• variables discrètes
• réponses discontinues
• optimisations non-convergées

11
OMD de machines applications
proposées
planeuse tôle
complexité constante
engins TP
finesse de modèle requise
engrenages
lignes flexibles
2
5
8
nb. de disciplines
12
OMD de planeuse de tôles fortes

• Partenaire industriel VAI CLECIM (S. Maillard,
  L. Bodini, O. Germain, J. Perret)
• Partenaires universitaires Ecole des Mines de
  St. Etienne (R. Le Riche, C. Desrayaud)

13
Problématique du planage
Laminage de tôles fortes aciers Hétérogénéité
des contraintes résiduelles transverses et dans
lépaisseur Défauts de planéité bords longs
centre longs
planage nécessaire
14
Principe du planage
Zone 1 homogénéisation transverse
Zone 2 homogénéisation dans lépaisseur
Imbrication lt épaisseur
15
Axes Stratégiques pour VAI Clecim

• Evolution du marché
• Tendances actuelles
• Aciers à plus haute limite élastique
• Tolérances de plus en plus faibles
• Différenciation concurrentielle
• Passer dune position de suiveur à celle de
  leader
• Court terme Performances en hausse
• Moyen terme Conception innovante

16
Conception et contrôle de planeuses (axes I et II)

• Une hiérarchie de modèles
• Actuel longitudinal plastique parfait isotherme
• Evolution
• Analyse fine dune cellule élémentaire (EF 3D
  thermomécaniques couplés).
• Retour sur le modèle simplifié.
• Assemblage des boîtes élémentaires simplifiées.
• Prédiction de planéité.
• Optimisation robuste
• Nécessaire car
• La température de la tôle planée varie
• La planéité en de la tôle en entrée nest pas
  connue

17
Conception et contrôle de planeuses (axes III et
IV)
disciplines conception contrôle
critères taux de plastification, trajectoire de tôle, planéité prédite taux de plastification, trajectoire de tôle, planéité prédite
variables position et diamètre des rouleaux, système de cambrage, dimensionnement vérins, motorisation rouleaux imbrication, couples moteurs et forces de planage, mesures de planéité
qui sont des fonctions de lacier à planer, de sa
température et de son épaisseur.
18
OMD pour la conception et lindustrialisation de
transmission de puissance par engrenages

• Partenaires industriels ASCOMETAL CREAS, PSA
• Partenaires universitaires LTDS (J. Rech, P.
  Lyonnet, J. Perret-Liaudet), EMSE (R. Le Riche),
  LAMCOS (P. Velex), LGIPM (R. Bigot)

19
Critères de conception dun engrenage
Choix des matériaux et de leurs états
métallurgiques Dimensionnement à la
rupture Dimensionnement à la fatigue Dimensionneme
nt à lusure et choix de la lubrification Dimensio
nnement au pitting Dimensionnement acoustique
Conception
Industrialisation
Production
Utilisation
20
Démarche actuelle de conception et
dindustrialisation dun engrenage
Définition du brut forgé Définition de la gamme
dusinage avant TTh (tournage, taillage,
arasage) Définition du TTh (cémentation sous
vide) Définition de la gamme dusinage après TTh
rectification / Rodage Définition du plan de
surveillance (contrôle) Conception du système de
production
Conception
Industrialisation
Production
Utilisation
21
Critères de production des engrenages

• Point sur les difficultés de production
• Lié à la conception de lengrenage
• Lié à la gamme de fabrication
• Coûts de consommable
• usure des outils,
• lubrifiants,
• électricité,
• maintenance, etc.
• Coût total de production

Conception
Industrialisation
Production
Utilisation
22
Confrontation avec le cahier des charges
fonctionnel
Conception

• Analyse des émissions acoustiques
• Tenue à la fatigue
• Tenue au pitting
• Résistance à lusure
• Rendement

Industrialisation
Production
Utilisation
23
Apports de lOMD pour la conception et
lindustrialisation dengrenages

• La conception, la fabrication et la production
  sont des décisions couplées.
• Pour les engrenages, il existe de nombreux
  critères et modèles au sein de chaque discipline
  (cf. transparents précédents).
• De nombreux critères sont négligés en conception
  (acoustique, lubrification, déformation des
  dentures lors de la fabrication, ) car leurs
  modèles sont trop lourds itérations coûteuses.
• LOMD est pertinente pour les engrenages (modèles
  simplifiés, intégration des critères par
  relaxation des couplages, étude de sensibilité,
  conception robuste).

24
OMD pour loptimisation des lignes flexibles

• Partenaires industriels Jean Arcamone (
  International Development and Strategies )
• Partenaires universitaires Samy Missoum ( PULV
  ), Joël Rech ( EMSE ), Catherine Vayssade ( UTC )

25
Les lignes flexibles
Entrée (pièces brutes)
Définition ligne de fabrication rapidement
reconfigurable permettant la fabrication de
plusieurs produits.
îlot 1

• Structure dune ligne
• Système ligne dans sa totalité caractérisée par
  son flux.
• Sous-systèmes Cellules dusinage, convoyeurs,
  postes manuels
• Interfaces entre les différents sous-systèmes

îlot 2

• Disciplines
• Etude des flux
• Fiabilité
• Fabrication
• Gestion de maintenance, etc

îlot N
Sortie
26
Les lignes flexibles les optimisations
Entrée (pièce brute)
îlot 1
îlot 2
îlot N
Sortie
27
Les lignes flexibles Problème dOMD

• Au niveau système, un problème dOMD
• Max Rendement

VARIABLES

• Nombre de machines par îlot
• Emplacement des machines

28
Échéances et coûts
Échéances Tâches Laboratoires Coût (Keuros)
0 3 mois choix de 3 applications, recrutements (3 thèses, 1 post doc) tous 3
4 15 mois bilan des disciplines et modèles / application labo. dapplications 3(2733)
16 27 mois 1ères opti. et retour dexpériences / application labo. dapplications 3(273)
28 39 mois amélioration modèles et intégration OMD / application labo. dapplications 3(273)
10 21 mois synthèse outils logiciels transverses 1 (post-doc) EMSE, LdV 3633
22 39 mois synthèse outils logiciels transverses 2 (post-doc) EMSE, LdV 544,5
Coût total 382,5 Keuros
29
Distribution des tâches
Pilotage ENSM-SE (R. Le Riche) et LdV (S.
Missoum)
30
Partenariats extérieurs

• Nationaux
• Groupe de travail OMD de lAFM
• OMD en aéronautique ONERA (projet fédérateur),
• Dassault Av., EADS LV
• INRIA (Consortium SCILAB, C. Gomez)
• Internationaux
• Univ. de Floride (R.T. Haftka), Univ. de Delft
  (Z. Gürdal).

31
LOMD de machines en bref

• LOMD une approche pragmatique et moderne de
  la conception
• dont la pertinence est illustrée sur trois
  applications.
• Un projet structurant pour les relations
  recherche publique PME.

32
transparents complémentaires
33
Critères de conception et dindustrialisation
dun engrenage
Mécanique Vitesses de rotation entrée
sortie Puissance transmissible Rendement Contraint
es dencombrement Acoustique Niveau de bruit /
vitesse de rotation Tenue en service Pitting Ruptu
re en pied de dents Usure Coût de production
34
Engins de Travaux Publics
Rotation
Bras
Moteur et contrepoids
Accessoire (godet)
Translation
35
Ingrédients de base du cahier des charges

• Contrainte
• Effort de traction de levage
• Contrôle de descente de charge
• Translation et rotation
• Stabilité
• Masse totale

• Solutions
• hydraulique cinématique
• hydraulique cinématique
• Puissance moteur
• Contrepoids hydraulique

DISCIPLINES
Hydraulique et contrôle
Conception
Maintenance
36
Un problème doptimisation multidisciplinaire

• VARIABLES
• Caractéristiques axes, fluides, pressions
• Masse contrepoids
• Puissance moteur
• Chaîne cinématique intermédiaire

• Min Masse totale
• Sous contraintes de
• Stabilité
• Effort de traction de levage
• Course de bras optimale
• pour conduite plus facile
• Dimensionnement
• optimal des axes
• Couple et puissance
• Sécurité

• DISCIPLINES
• Hydraulique
• Contrôle
• Conception

Analyse EF précise (pressions de contact)
Minimisation du temps de graissage
37
Diverses optimisations possibles

• Maximiser leffort de levage
• Maximiser les puissances en rotation et
  translation
• Maximiser la facilité de conduite
• Minimiser la masse de léquipement
• Minimiser le temps de graissage

DISCIPLINES
Hydraulique et régulation
Mécanique des structures
Maintenance