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

Client

Constructeur industriel d’engins de chantier pour les travaux publics et l’exploitation minière.
Le projet s’inscrit dans un programme d’optimisation structurelle de nouvelles plateformes, avec des objectifs de réduction de masse, de maîtrise des coûts et de respect des exigences de fiabilité et de durée de vie.

Problématique

Le dimensionnement des structures est historiquement basé sur des modèles analytiques et des simulations éléments finis intégrant des coefficients de sécurité conservatifs. Cette approche conduit fréquemment à un surdimensionnement, au détriment de la masse et des coûts.

Les difficultés principales identifiées étaient :

• Sollicitations réelles dynamiques et multiaxiales (forces, moments, chocs, vibrations).
• Écart entre les hypothèses de charge utilisées en simulation et les conditions opérationnelles réelles.
• Manque de données mesurées pour caractériser les pics de charge et les sollicitations en fatigue.

Objectifs techniques :

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

Instrumentation et méthodologie

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

Instrumentation déployée par PM Instrumentation

• Capteurs d’efforts multiaxes miniatures (6 axes)
  • Mesure simultanée des forces (Fx, Fy, Fz) et moments (Mx, My, Mz)
  • Résolution < 0,1 % FS
  • 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 au sol
  • 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
• Post-traitement :
  • Identification des pics de charge
  • Analyse des cycles de sollicitation
  • Corrélation avec les phases de fonctionnement (travail, déplacement, levage)

Les points instrumentés ont été définis à partir des zones critiques identifiées par simulation FEA.
La campagne d’essais a combiné essais sur banc et mesures en conditions opérationnelles sur environ 3 mois (≈ 500 h de données).

Résultats

Les données mesurées 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
• Réduction des coûts :
  • ≈ 12 % sur les coûts matière
  • ≈ 20 % sur les essais de validation (réduction du nombre de prototypes)
• 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.