Optimisation structurelle d’engins de chantier par mesure dynamique des efforts multiaxiaux

Client

Le client est constructeur d’engins de chantier. Les véhicules sont utilisés pour les travaux publics et l’exploitation minière. Le projet s’inscrit dans un programme d’optimisation structurelle d'une nouvelle plateforme, avec des objectifs de réduction de masse et de consommation énergétique sous le respect des exigences de fiabilité et de durabilité.

Problématique

Le dimensionnement mécanique d'un véhicule est généralement basé sur des modélisations numériques et des simulations éléments finis, éventuellement recalés sur des données réelles. Si cette approche a permis depuis des décennies un raccourcissement des cycles de développement, leur représentativité parfois perfectible impose la prise en compte de coefficients de sécurité conservatifs pour palier aux incertitudes. Cette approche a pour conséquence directe un surdimensionnement de la conception mécanique, au détriment de la masse et des coûts associés.

à l'issue de la revue de conception, les objectifs techniques suivants ont été définis au BE:

• Réduction de masse cible : 15 à 20 % à iso durée de vie et cycles de chargement
• Limitation du nombre de prototypes physiques

Le process de conception restant inchangé, le seul levier possible consistait en une amélioration des outils de simulation. A cette fin, une campagne de tests sur un prototype représentatif visant à recaler les modèles de simulation, et de s'autoriser ainsi une réduction des marges de sécurité, a été réalisée.

PM Instrumentation a été sollicité pour la définition et la mise à disposition d'une instrumentation adaptée. Les difficultés challenges étant

• La compatibilité des équipements avec les conditions opérationnelles réelles (voire sévères) en chocs, vibrations, thermique, poussières
• la nécessité d'une mesure dynamiques (> 1kHz) et multiaxiale pour caractériser les pics de charge et les sollicitations en fatigue aux points cruciaux de la structure.

Solution PM Instrumentation

Une instrumentation complète a été déployée sur un engin représentatif afin de mesurer les sollicitations en conditions réelles d’utilisation.

Instrumentation déployée

Capteurs d’efforts multiaxes miniatures (3 axes)

• Mesure simultanée des forces (Fx, Fy, Fz)
• efforts : plusieurs dizaines de kN par axe
• Bande passante > 1 kHz
• Intégration sur interfaces mécaniques critiques (bras, châssis, liaisons)

Accéléromètres

• Mesure des niveaux vibratoires et des chocs
• Caractérisation des excitations dynamiques transmises aux structures

Roue dynamométrique 6 axes

• Mesure des efforts et moments transmis à la roue
• Corrélation des charges roulantes avec les sollicitations structurelles

Instrumentation complémentaire client

Extensométrie (jauges de déformation)

• Mesure locale des déformations
• Validation des contraintes calculées et corrélation avec les efforts mesurés

Acquisition et exploitation des données

• Système d’acquisition synchronisé, environnement industriel (IP67)
• Enregistrement continu des signaux

Les points instrumentés ont été définis à partir des zones critiques identifiées par simulation FEA.
La collecte des données a duré plusieurs semaines en conditions réelles.

Résultats

Les données collectées ont permis de recalibrer les hypothèses de dimensionnement et de valider les modèles numériques.

Résultats principaux :

• Réduction de masse de 18 % sur les composants instrumentés, par optimisation des sections et adaptation des matériaux
• Diminution estimée de 8 % de la consommation énergétique sur le cycle d’utilisation, liée à l’allègement
• Amélioration de la tenue en fatigue par identification précise des zones fortement sollicitées et renforcement localisé

Les mesures terrain sont désormais intégrées dans le processus de validation et utilisées comme référence pour le dimensionnement des nouvelles plateformes.