La réduction de masse est une des solutions techniques adoptées dans l'industrie 4.0, permettant des économies de consommation et une réduction importante de l'empreinte environnementale des constructions urbaines et industrielles (Transports Aérien, Maritime et Terrestre, Territoire et villes durables...).
Le concept de développement rapide de produits tire avantage d'une mise en œuvre des outils de la chaîne numérique : conception assistée par ordinateur et de modélisation numérique, prototypage et fabrication additive.
Parmi ceux-ci l'optimisation topologique est un outil d'aide à la conception capable de proposer des concepts originaux de composants mécaniques sur base d'une distribution optimale de matière. C'est une méthode numérique qui vise à construire une géométrie optimisée, sans à priori, en ne connaissant que les charges, les conditions de liaisons, les limites du volume de la structure et les exigences du fabricant.
Dans ce papier, nous proposons une démarche d'apprentissage des critères à exploiter pour aboutir à un problème bien posé sur des algorithmes d'optimisation topologique implantés sur SolidWorks et Inspire.
Ce travail a été développé lors d'un projet de fin d'étude comme exemple d'initiation en recherche par la formation. Les deux élèves ingénieurs ont structuré l'étude de la manière suivante :
- Une recherche bibliographique sur les méthodes et principes d'optimisation pour mieux cerner le sujet,
- Étude de l'optimisation topologique par les tutoriels SolidWorks et Inspire,
- Choix des modèles pour l'application des critères d'optimisation.
La présentation qualitative des résultats est restreinte aux modélisations optimales du projet.
. Tablier en élément coque soudé au pont volumique en arc
Pour contrôler les degrés de liberté en rotation aux limites du pont, le maillage 3D du tablier est remplacé par des éléments coque.
Les optimisations initiale et modifiée sous SolidWorks du couplage coque-3D conduisent à une diminution des contraintes maximales comparée au maillage 3D du pont massif.
. Volant de manœuvre plat
Monté sur des réducteurs mécaniques, il permet de déplacer des pièces mais aussi d'ouvrir ou de fermer des vannes. La zone interne du volant est remplacée par un disque d'épaisseur 18 mm et la partie centrale est percée pour les liaisons de surface. Un couple de 60Nmm est appliqué au bord du volant.
Après les modifications de la pièce optimisée par des surfaces sous Inspire nous obtenons une pièce lissée présentant des gains importants en déplacement et en contrainte.
Lors des créneaux d'échanges avec les élèves, différentes influences liées aux caractéristiques géométriques et mécaniques ont été sont soulevés pour valider chaque étude :
. Choix et taille de maillage (élément solide et/ou coque).
. Types de conditions aux limites.
. Effet des variations de l'intensité des charges.
. La solution acceptable nécessite des contraintes dans la boucle d'optimisation.
. Les modifications de la structure optimisée par lissage.
. Le choix du modèle optimal est basé la rigidité maximum pour un poids minimum.
Les lissages des pièces optimisées peuvent être utilisées pour chaque pourcentage de masse souhaitée, mais un contrôle est souhaitable pour déterminer la forme la plus adaptée aux contraintes de performances.
En effet, une des difficultés majeures de pièce optimisée est la régularisation du gradient de la forme pour empêcher toute incohérence de maillage pour garantir un calcul correct.
La synthèse des études montre que le logiciel Inspire est performant pour les modifications par lissage de la géométrie des pièces pendant le processus d'optimisation. Cependant, les résultats numériques de SolidWorks sont plus précis. Ceci peut être dédié à l'optimisation, aux critères du choix de maillage et des conditions aux limites pour avoir un problème bien posé des calculs par éléments finis.