Dimensionnement d'une butée

[KRSone]

Bonjour,
Je suis en stage dans une entreprise qui conçoit et fabrique des machines outils permettant d'usiner des profilés Alu, PVC et bois. Ces profilés servent à la fabrication de fenêtres.

Ils utilise ce qu'ils appelle un avance barre. Il s'agit d'un système pignon crémaillère permettant de rentrer les profilés dans la machine. Dans la première phase, soit l'usinage d'un profilé, pas de soucis, le problème surviens au retour. Il peut arriver qu'en rentrant l'avance barre ne s'arrête pas à temps dans ce cas une butée prévue pour est censée arrêter l'avance barre. Sauf que dans le cas où il arrive à pleine vitesse la butée est extrêmement endommagé.

La butée est une plaque de laminé de 15mm pliée à 90° sur laquelle on fixe un cône en caoutchouc censé absorbé le choc. La tôle pliée à été changée par deux plaques soudées. Ils voudrais savoir si cette solution étaie plus résistante que la précédente.

Mon maitre de stage souhaite que je modélise le problème via CosmosWork le module élements finies de solidworks. Je ne sais toutefois pas trop comment m'y prendre. Je pense qu'il n'est pas possible de simplement considerer le problème comme une sollicitation statique. Es ce que quelqu'un a une idée de la manière dont je peux proccéder ?

Merci d'avance pour votre aide.

Cordialement Benjamin.

Pièce jointe supprimée à la demande de KRSone
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[LPFR]

Bonjour.
On ne comprend pas un problème à coups de simulateur.

Il faut connaître quelle est la force Fmax qui est nécessaire pour déformer la barre ou la butée et qu'il ne faut pas dépasser.
Puis il faut placer une "ressort" (le cône en caoutchouc) qui à déformation maximum satisfasse:
½k.x² = énergie cinétique de la barre à arrêter. Où k est la constante du "ressort" et 'x' sa déformation.
On doit aussi satisfaire k.x < Fmax
Ça vous permettra de choisir le bon cône en caoutchouc.

Une fois avec ces valeurs vous pourrez faire les simulations que vous voudrez, pour vérifier que vous ne vous êtes pas trompé.
Au revoir.

[KRSone]

En faite ce que je voudrais mais que je ne sais pas comment faire, c'est déterminer la force nécéssaire à stoper l'avance barre.
J'ai calculé l'energie cinétique du chariot et ce que je voudrais, c'est calculer quelle force est nécessaire à arreter l'avance barre. Mais cela je ne sais pas comment on fait

[LPFR]

Re.
La force par arrêter un objet en mouvement dépend de la distance dans laquelle vous voulez l'arrêter.
Vous pouvez arrêter une voiture doucement avec les freins en utilisant une longue distance et une force raisonnable, ou rapidement en utilisant un mur et une force un peu plus importante.

Relisez l'explication que je vous ai donnée.

A+

[A voir en vidéo sur Futura]

[KRSone]

Bien dans ce cas l'avance barre sera arrèté en très peu de temps ce qui signifie une force extrêment importante.

Es ce que je peux écrire que la force c'est F=M gamma
Avec gamma la décélération nécéssaire à stopper l'avance barre ?

[LPFR]

...
Es ce que je peux écrire que la force c'est F=M gamma
Avec gamma la décélération nécéssaire à stopper l'avance barre ?

Re.
NON.
Pour une dernière fois:
Relisez l'explication que je vous ai donnée.
A+

[KRSone]

Dans ce cas ce serai plutôt l'exemple de la voiture dans le mur.

[KRSone]

Désolé pour le double post.
J'ai trouvé sur HPC quelque formule permettant de déterminer mon problème mais rien de bien concluant.
N'y aurai t-il personne qui pourrait m’aidai ?

[phuphus]

Bonjour KRSone,

LPFR ne t'a pas donné de solution toute faite, mais sa première intervention contient beaucoup d'éléments qui t'auraient permis d'avancer. Voyons cela ensemble :

Il faut connaître quelle est la force Fmax qui est nécessaire pour déformer la barre ou la butée et qu'il ne faut pas dépasser.

Ne serait-ce pas plutôt la contrainte max pour laquelle il y a rupture d'une partie ou de l'autre ? Cela évite de se faire avoir par des concentrations de contraintes dues à la géométrie des pièces.

Puis il faut placer une "ressort" (le cône en caoutchouc) qui à déformation maximum satisfasse:
½k.x² = énergie cinétique de la barre à arrêter.

Ca, c'est un critère que KRSone peut rentrer dans son modèle.
@ KRSone :
- en première instance, tu te places en simulation statique
- tu comprimes ta butée jusqu'à ce que son énergie de déformation soit égale à l'énergie cinétique de la barre (au fait, la barre est bien en translation libre lors du choc ? Elle n'est plus entraînée ??)
- à ce point, tu vérifies que la contrainte max dans la butée est inférieur à une contrainte de rupture

Le tout est donc de dimensionner la butée pour que lorsque l'énergie de déformation est égale à l'énergie cinétique de la barre avant impact, la contrainte soit inférieure (coef de sécurité à déterminer) à la contrainte de rupture. Vois avec ton maître de stage s'il a quelques habitudes dans le domaine : contrainte de Von Misès, Tresca, etc.

Bien sûr, si la butée est trop dure, c'est l'avance barre qui va morfler.

Pour ma part, et vu le prix, je n'hésiterais pas à jouer non pas sur la raideur de la butée mais sur son amortissement. Si tu veux modéliser une butée en caoutchouc très amortissant, alors il faudra passer à un modèle temporel, le statique ne fera plus l'affaire.

Un ressort + amortisseur serait OK, pour à peine plus cher qu'une butée en caoutchouc et très certainement plus pérenne. Quid de la fatigue dans le cas du caoutchouc ?

Une fois avec ces valeurs vous pourrez faire les simulations que vous voudrez, pour vérifier que vous ne vous êtes pas trompé.

Personnellement, je préfère valider un calcul, analytique ou EF, par une mesure. Bizarre de vérifier un calcul par une simulation

On ne comprend pas un problème à coups de simulateur.

A priori non, en effet, mais une fois que l'on dispose d'un modèle chiadé et recalé aux petits oignons, les éléments finis peuvent être extrêmement pédagogiques. Voir par exemple ici :
http://forums.futura-sciences.com/ph...ircuit.html#11
mais je suis d'accord qu'il faut commencer par bien comprendre la physique pour pouvoir tirer la quintessence des résultats d'un calcul EF.

[KRSone]

En gros dans un premier temps c'est que je veux reproduire par le biais de la simulation ce qui se passerai si l'avance barre venait percuter à pleine vitesse. Mais pour info dans le BE ou je suis en stage personne n'est super alaise avec les calculs. Même mon maitre de stage est à la rue.
Pour le moment je me moque un peu de la simulation ce que je veux comprendre c'est la démarche que je dois appliquer.

[phuphus]

LPFR et moi t'en avons donné chacun une, toutes deux valables. Est-ce OK pour toi ?

[KRSone]

Ce qu'il y a c'est que je n'ai aucun moyen de vérifé correctement mon calcul qu'il soit analytique on en simulation EF.

En tout cas ce que je peux vous dire c'est que c'est arrivé une ou deux fois que le chariot percute à pleine vitesse la butée et je peux vous dire que cette dernière était sacrément déplie. Dans le cas actuel c'est absolument certain que la butée est déformé plastiquement.

Es ce que cela change quelque chose ?

Pièce jointe supprimée à la demande de KRSone

[phuphus]

Honnêtement, pour calculer un assemblage en mécano-soudé, il va falloir trouver un spécialiste du soudage, parce que connaître la contrainte de rupture au niveau de la zone soudée n'est pas évident.

Sinon, pour le montage, je pense qu'il aurait fallu monter l'équerre dans l'autre sens et lui ajouter une nervure à 45° la plus grande possible (donc jusqu'à la base du cône). Là, tu es sûr qu'elle tiendra (tu peux même aller jusqu'à mettre deux nervures de chaque côté des vis). La question est maintenant de savoir s'il y a un "prochain fusible". La déformation de la précédente équerre a fait office de fusible, si maintenant la rigidité de l'équerre est améliorée, il faut être sûr que c'est bien le caoutchouc qui dissipe le choc et que l'avance barre ne va pas être endommagé, ou que les vis ne vont pas être cisaillées.

Si tu connais exactement les propriétés du caoutchouc du cône, tu peux éventuellement te lancer dans une simulation directement. Mais en effet, le mieux serait d'avoir un moyen de vérifier tout cela. As-tu la possibilité de :

- faire des essais statiques de compression sur le caoutchouc ? Cela permettrait de mesurer la raideur du cône, et par là de déterminer le module de Young du matériau (dans tous les cas coef de Poisson = 0.5, en général les logiciel EF divergent si tu mets 0.5 et tu dois donc utiliser une formulation dite "quasi-incompressible" pour faire des calculs sur du caoutchouc)
- faire des mesures de décélération / déplacement des divers éléments lors du choc ? Un accéléromètre et une carte d'acquisition (700 euros de budget pour le tout) font l'affaire, sinon de la pâte à modeler et une deuxième équerre

L'essai statique me paraît indispensable pour avoir les caractéristiques exactes du caoutchouc. Pour la mesure de décélération, c'est en bonus, car avec une équerre retournée et nervurée on doit pouvoir considérer qu'elle ne bouge pas, donc seul le caoutchouc se déforme. Ensuite, pour le calcul, prends comme critère [énergie de déformation = énergie cinétique] comme point d'arrêt.

Au pire, tu as des moyens simples de mesurer la déformation du caoutchouc lors du choc (essais multiples avec un pendule que tu recules à chaque essai : le but étant de trouver la position pour laquelle le pendule est tout juste tapé, ou sinon une aiguille et du beurre, éventuellement de nouveau de la pâte à modeler)

[Jaunin]

Bonjour, KRSone,
Voici, déjà quelques liens, pour vous faire un idée plu précis sur les absorbeurs de choc.
Cordialement.
Jaunin__


http://www.bibusfrance.fr/fileadmin/...rs_fr_2009.pdf

http://hal.archives-ouvertes.fr/docs..._8_5_197_0.pdf

http://www.trelleborg.com/upload/Ind...t_2003_low.pdf

[verdifre]

Bonjour,
il ne faut pas oublier de prendre en compte dans l'absirption de l'energie , l'energie absorbée par l'equerre lors du choc.
il te faut donc calculer l'energie de deformation elastique de ta structure (ton equerre).
Les theoremes de menabrea et de castigliano devraient t'aider.

attention quand à la fonction de la "butée" caoutchouc, tel que présenté une butée induit une notion de positionnement, plus ta butée sera souple, plus ton positionement sera "aleatoire"

tu peux aussi aller voir http://www.dimafluid.com/amortisseurs-de-choc.html
fred

[KRSone]

Je pensais m’aidai de castigliano mais son théorème n'est vrai que dans le domaine élastique ?
Parce que encore une fois la déformation de l'équerre est complètement plastique.

De plus je ne sais toujours pas quoi mettre en entrée de mon problème.

Mais même en statique quelle intensité de force je dois appliquer pour quelle correspond à l’énergie cinétique de l'avance barre.

Dans un premiers temps je souhaiterai modéliser le problème sans tenir compte d'un amortisseur. Une fois ceci validé, je modifierai ma conception. Mais je veux avoir un modèle empirique.

[verdifre]

bonjour,
les theoremes energetiques te permettent de ne pas avoir besoin de la force.
tu obtient en fin de compte des equations qui lient les contraintes et l'energie absorbée

Parce que encore une fois la déformation de l'équerre est complètement plastique.

ce qui t"interesse c'est de pouvoir dimentionner quelque chose qui ne se deforme pas plastiquement, donc les methodes sont valables pour determiner un support qui reste dans le domaine elastique

Mais même en statique quelle intensité de force je dois appliquer pour quelle correspond à l’énergie cinétique de l'avance barre.

encore une fois, c'est tout l'interet des methodes energetiques, tu n'as pas besoin de faire un calcul 'equivalent statique'
fred

[phuphus]

Bonjour KRSone,

toutes les solutions t'ont été données. En fait, j'ai surtout l'impression que c'est le syndrôme de la page blanche lorsque tu es devant SolidWorks. As-tu déjà utilisé SW ? Et Cosmosworks ?

Voici un léger plan d'action, sans les détails que tu devras résoudre par toi-même, pour commencer. C'est très basique, succinct, mais ce sera une base pour ensuite aller plus loin.

Avant de te détailler le plan d'action, autant te prévenir, j'ai déjà utilisé des logiciels EF pour dimensionner des structures en rupture, mais jamais SW.

1 - Si c'est possible, place-toi dans SW en problème 2D axisymétrique statique
2 - Dessine uniquement une moitié de cône
3 - Définis l'axe du cône comme axe de symétrie de rotation et la base comme étant encastrée (frontière fixe), et définis comme matériau du cône un caoutchouc moyen (sauf si tu connais précisément les données de ton matériau)
4 - Sur la machine, mets de la farine sur l'avance barre au niveau de la zone de contact avec le cône
5 - Fais quelques essais jusqu'à avoir eu un choc lors du retour de l'avance barre qui te paraît suffisamment fort
6 - Mesure le diamètre du cercle de farine enlevé par le cône en caoutchouc lors des chocs successifs, cela te donne une idée de la surface de contact totale entre avance barre et cône lorsque ce dernier est écrasé
7 - dans SW, définis une force surfacique dans l'axe du cône sur une portion qui s'étend jusqu'au rayon correspondant à ta surface de contact totale
8 - Cette force surfacique doit avoir une intensité de "1". L'unité est sans importance pour l'instant
9 - Lance le calcul
10 - Affiche un rendu avec déformée et par exemple contrainte de Von Misès
11 - Vois si la déformation et la répartition de contraintes te paraissent réalistes (la contrainte max devrait être atteinte pour le sommet du cône)
12 - Tu dois avoir en post traitement une fonction directe qui te calcule l'énergie de déformation, calcule-la
13 - Fais le ratio entre énergie cinétique de ton avance-barre lors du choc le plus intense des essais précédents (à priori environ 1 100 J) et énergie de déformation calculée par SW
14 - Comme la force a été définie à 1 dans SW, remplace-la directement par ce ratio
15 - Refais le calcul et réévalue l'énergie de déformation
16 - Si tu ne t'es pas placé en grandes déformation, la nouvelle énergie de déformation doit être exactement égale à l'énergie cinétique du point 13
17 - Re-juge la déformation calculée par SW et la répartition des contraintes
18 - La force totale nécessaire dans SW pour arriver à une énergie de déformation réaliste te donne une idée de l'effet max encaissé par ta butée. Encore une fois, avec une équerre bien dimensionnée, l'énergie de déformation de l'équerre est sans importance devant celle du cône

Quand tu en seras là, je te dirai ce qu'il faut ensuite envisager pour faire un calcul de plus en plus réaliste (évaluation des paramètres exacts du matériau, prise en compte de l'équerre, mesure de la déformation exacte du cône lors du choc, grandes déformations dans SW, modélisation de l'avance-barre avec évolution de la surface de contact avec le cône au cours du choc, prise en compte de l'amortissement et non plus de la seule raideur comme c'est le cas en statique, etc.).

Au fait, quel est le but de ton stage ? Avoir un modèle qui fonctionne ou juste concevoir une butée fiable ? Si c'est le deuxième cas, il faut déjà être sûr qu'une modélisation EF est le bon moyen de résoudre ton problème. Parce qu'avec une équerre retournée et nervurée, je peux t'assurer qu'il n'y aura aucun problème, le premier fusible ne sera pas la butée.

[Jaunin]

Bonjour, KRSone,
Si je regarde votre photo de l'amortisseur de choc, c'est la partie grise (avec quelques tâches noires qui vient frapper).
Mais vous avez la came à droite qui passe sur les deux détecteurs de fin de course que l'on voit en bas de la photo.
Cela veut dire qu'il y a déjà eu un ordre d'arrêt et d'inversion de course, mais le système ne s'arrête pas ? il arrive en pleine vitesse ?
Je trouve l'idée de Phuphus très "praticienne" et intéressante, mais là il va falloir maitriser la simulation.
Cordialement.
Jaunin__

[Jaunin]

Bonjour, KRSone,
Encore une question, le chariot avance à l'aide d'un moteur électrique qui entraîne un pignon hélicoïdal qui s'engraine sur la grande crémaillère.
Le choc en butée ne risque pas de dérégler la machine ou même de créer de la casse.
Pendant le retour du chariot, il fait une opération ou c'est juste un retour rapide pour perdre le moins de temps ?
Cordialement.
Jaunin__

[KRSone]

Bonjour,
Le retour du chariot s'effectue à pleine vitesse pour effectivement optimiser au maximum les cadences de la machine.

Encore une fois la buté constitue le dernier rempart de protection. Il y a deux détecteurs électriques prévu pour donner l'ordre au chariot de stopper son avance. Il c'est déjà produit des défaillances des deux capteurs. Le plus souvent l'avance barre reçoit l'ordre de ralentir, il commence à décélérer mais il n'a pas temps de s'arrété complètement et percute la buté. Mais dans ce cas tout ce passe bien le choc n'est pas violent.
Le soucis survient lorsque l'avance barre percute à 220m/min la butée et je peux vous dire que d'une part la pièce était morte mais l'avance barre avait lui aussi subit des dégats sommes toute important. Il avait quité son rail de guidage sa structure était tordu.

Je suis en stage au BE mécanique d'une entreprise qui conçoive et fabrique des machines outils. Ils sont très bon en conception mécanique mais en termes de calcul pas terrible. A la base j'étais censé faire de la conception, ce que j'ai fais d'ailleurs, j'ai été sollicité pour analyser la butée.

[obi76]

Ce que je ne comprend pas dans cette histoire, c'est pourquoi n'avoir qu'une seule barrière optique ? Et pourquoi ne pas l'éloigner de la butée ? Le pognon perdu en ne fabriquant pas 2 pièces par jour parce que la machine ralentira un peu avant sera sans doute compensée par le fait qu'il ne faudra pas changer le chassis de la machine tous les mois non ?

[phuphus]

Bonjour KRSone,

en toute honnêteté, si tu ne te décides pas à tenir compte de tous les conseils qui te sont prodigués et à nous donner toutes les infos nécessaires, pour ma part ce sera la dernière intervention. N'y vois rien de personnel, c'est juste que pour l'instant j'ai l'impression que tous les gens qui tentent de t'aider le font dans le vide, et que tu es tellement persuadé que tu ne peux rien faire qu'au final, tu n'avances pas.

LPFR et moi avons évoqué dès nos première interventions la résistance de l'avance-barre, et j'ai à maintes reprises parlé de "premier fusible" pour qualifier l'équerre, sans réaction de ta part. Et depuis, TOUTES les solutions t'ont été données :

- méthode de résolution analytique ou numérique
- nouvelle conception de l'équerre
- remplacement du cône caoutchouc, certainement trop dur, par des amortisseurs dédiés (vois les liens donnés par Jaunin et verdifre)

Je te mets en PJ une image explicite de l'équerre telle que je l'imagine. Sur cette équerre doit être monté un amortisseur comme ceux évoqués par Jaunin et verdifre. Bien entendu, l'équerre que j'ai dessinée est retournée par rapport à celle qui est montée à l'heure actuelle (la nervure n'est donc pas du côté avance-barre). J'ai dessiné une seule nervure, mets-en deux si cela te paraît mieux.

Les méthodes de calcul t'ont toutes été donnés, et je suis prêt à te guider pas à pas pour aller vers des simulations de plus en plus précises. Je peux même te donner quelques conseils pour mesurer la violence du choc subi par l'avance-barre.

C'est maintenant entre tes mains, va de l'avant !

[phuphus]

Ils sont très bon en conception mécanique

j'espère donc que ce ne sont pas eux qui ont conçu la butée en tôle, et encore moins celle en mécano-soudé... Parce que la monter à l'envers et sans nervure est une erreur de bleusaille

[KRSone]

Je suis en train de suivre exactement le plan d'action que tu m'a définie précédement.
J'ai modélisé l'ensemble de mon problème avec SW.
J'ai n'ai toutefois pas eu l'autorisation de faire joue joue avec l'avance barre. Je trouve cela un peu dommage mais bon ce sont des soucis en interne.
J'ai modélisé avec un collègue à la louche la zone d'action. Sur laquelle j'ai appliqué une force de 1N comme conseillé.
Je coince pour l'énergie de déformation il y a un certain nombre de paramètre que je ne sais pas renseignés. De plus je ne connais pas l'unité de l'energie de déformation. Dans CosmosWork il y a trois unité possible :
N-m
ft-lbs
cal

Comment faire le parallèle avec des joules ?


Pour ce qui est de la butée j'ai déssiné la même chose soit que j'ai mis deux nervures.

[obi76]

Des newton x des mètres = des Joules.

Pour les calories, un coup de wikipedia suffit : http://fr.wikipedia.org/wiki/Calorie

[KRSone]

Ok d'accord, donc 1N.m = 1 Joule.

Par contre mon energie de déformation est extrêment faible de l'ordre de 2.3e-10. Calcule bien évidement avec une force 1 N
Honnêtement je n'ai aucun notion de valeur d'energie de déformation, je ne me rend pas compte du tout si cela est beaucoup ou faible. Dans ce cas je présume qu'elle est très faible ce qui est somme toutes logique.

[obi76]

Pour être plus exact, 1N appliqué sur un objet sur une longueur de 1m (et force colinéaire à la vitesse) fournira un travail de 1J.

[KRSone]

D'accord.
Mais je ne vois pas comment je fais le liens avec les valeurs de la simulation.
Comment es ce que je doit interprèter ces valeurs ?
Et surtout comment faire le parallèle avec l'energie cinétique ?

[phuphus]

Bonjour KRSone,

supposons que la butée en caoutchouc est une raideur pure, donc équivalente à un ressort. L'avance-barre arrive sur ce ressort avec une certaine énergie cinétique. En comprimant le ressort, cette énergie cinétique est transformée en énergie potentielle élastique (ou énergie de déformation, c'est pareil) et le ressort freine l'avance-barre. Cet avance-barre atteint une vitesse nulle lorsque toute l'énergie a été transférée, donc que l'énergie de déformation du ressort est égale à l'énergie cinétique qu'avait l'avance-barre avant de toucher le ressort.

Juste quelques petites questions pour continuer :
- la force de "1" que tu as définie est une réelle force ou bien une forcé surfacique ?
- sur quelle zone l'as-tu appliqué ?
- rien à voir : quelle est ta formation ? Quel est le niveau de ton stage ?