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

Client

Ce projet concerne un constructeur majeur d’engins de chantier, spécialisé dans la conception de machines lourdes pour les travaux publics et l’exploitation minière. Face à des exigences croissantes en matière de performance énergétique, de réduction des coûts opérationnels et de durabilité, l’industriel cherchait à innover dans la conception de ses nouvelles plateformes. L’enjeu : allier robustesse mécanique et allègement structurel, sans compromettre la sécurité ou la durée de vie des équipements. Les équipes R&D, composées d’ingénieurs en mécanique et en simulation, devaient valider leurs hypothèses de dimensionnement par des données terrain précises, souvent difficiles à obtenir par les méthodes traditionnelles de calcul.

Problématique et challenges

Le dimensionnement des structures d’engins de chantier repose historiquement sur des modèles théoriques et des coefficients de sécurité empiriques, conduisant souvent à un surdimensionnement coûteux. Dans ce projet, les défis étaient multiples :

Charges dynamiques complexes : Les engins subissent des sollicitations multiaxiales (flexion, torsion, cisaillement) et transitoires (chocs, vibrations), difficiles à modéliser avec précision.
Manque de données réelles : Les simulations numériques (FEA) peinent à reproduire fidèlement les conditions opérationnelles, notamment les pics de charge et les effets de fatigue.
Objectifs contradictoires :
- Réduire la masse de 15 à 20% pour améliorer l’efficacité énergétique et réduire les émissions.
- Garantir la fiabilité sur des cycles de vie prolongés (10 000 à 20 000 heures).
- Limiter les coûts de développement et de prototypage.

Sans mesure in situ, le risque était soit un surdimensionnement (poids excessif, surcoût), soit une sous-estimation des contraintes (défaillances prématurées).

Solution PM Instrumentation

Pour répondre à ces enjeux, PM Instrumentation a déployé une solution de mesure dynamique des efforts basée sur des capteurs piézoélectriques multiaxiaux haute précision, intégrés aux interfaces mécaniques critiques (bras articulés, châssis, points de fixation). L’architecture mise en œuvre incluait :

Capteurs d’effort 6 axes : Mesure simultanée des forces (Fx, Fy, Fz) et moments (Mx, My, Mz) avec une résolution < 0,1% FS et une bande passante > 1 kHz, adaptée aux dynamiques rapides.
Système d’acquisition synchronisé : Centralisation des données via un boîtier DAQ robuste (IP67), résistant aux environnements sévères (poussière, vibrations, températures extrêmes).
Analyse temps réel : Logiciel dédié pour le post-traitement des signaux, l’identification des pics de charge et la corrélation avec les cycles de travail (creusement, levage, déplacement).

Les capteurs ont été positionnés sur des zones stratégiques identifiées par simulation, permettant de valider ou ajuster les modèles en fonction des charges réelles. Une campagne de tests sur banc et en conditions opérationnelles a duré 3 mois, couvrant plus de 500 heures de mesure.

Résultats obtenus et bénéfices clients

Les données collectées ont permis d’affiner le dimensionnement des structures avec une précision inédite :

Réduction de masse de 18% sur les composants critiques, grâce à l’optimisation des sections et des matériaux (ex : remplacement de l’acier par des alliages légers là où les mesures le permettaient).
Gain énergétique estimé à 8% sur le cycle de vie, lié à la diminution du poids et à l’optimisation des actionneurs.
Réduction des coûts :
- –12% sur les matériaux (moins de surdimensionnement).
- –20% sur les tests de validation (moins de prototypes physiques grâce aux données terrain).
Amélioration de la durabilité : Identification des zones de concentration de contraintes et renforcement ciblé, réduisant les risques de fatigue prématurée.

Au-delà des gains techniques, le client a pu accélérer son time-to-market en validant plus rapidement ses choix de conception. Cette approche, désormais systématisée, est déployée sur l’ensemble de ses nouvelles gammes d’engins.