Restez toujours dans le cadre
Strama-MPS Maschinenbau GmbH & Co. KG est un fabricant de machines et d'équipements à usage spécifique, spécialisé dans l'industrie automobile et ses sous-traitants. Des solutions et des assemblages de précision sont produits à Straubing depuis plus de 75 ans. Un grand constructeur automobile a demandé à l'équipe de Strama-MPS de concevoir un cadre de rallonge pour les pièces de carrosserie. Le mécanisme de l'outil fait partie d'un système de prototypage automatisé qui utilise également des robots. CADFEM a été chargé de développer un programme permettant de concevoir facilement la structure du cadre en utilisant la simulation.
Unité de serrage pour le cadre du stenter
Les caractéristiques exceptionnelles du dispositif de serrage sont les grandes dimensions, la capacité de pivotement et la gamme considérable de variantes de montage avec une grande diversité de pièces. Le cadre du stenter est fixé des deux côtés à une fixation avec un axe de pivotement de 180°.
Des plaques de serrage avec leviers de serrage peuvent être montées sur le châssis, à l'avant et à l'arrière. Elles maintiennent les différentes parties de la carrosserie afin de les rendre plus accessibles pour l'usinage et le montage avec des mouvements de rotation horizontaux. Selon la configuration des pièces serrées, le poids et le centre de gravité changent pendant le processus d'usinage. Dans le même temps, l'objectif est de maximiser la capacité du bâti de tournage. Cette souplesse d'application a posé aux développeurs de Strama-MPS un défi majeur en termes de conception de la résistance du cadre.
Strama-MPS a développé l'unité de serrage pour l'automatisation de la production pour une cellule prototype dans une entreprise automobile. Ces unités doivent être remplacées plusieurs fois par an, en fonction du modèle de véhicule. Le personnel de conception décide de ce qui doit être fixé sur le cadre du stenter. L'arrivée de nouveaux dispositifs entraîne une modification des charges sur le retourneur et nécessite des calculs actualisés pour déterminer la limite de charge. En général, un ingénieur informaticien doit vérifier et approuver la situation de chaque dispositif. Il s'agit d'un effort qui, compte tenu des fortes variations, sort littéralement du cadre en termes de temps et de coût.
Strama-MPS développe des machines, des équipements et des solutions complètes à usage spécifique pour la production, l'assemblage et le test de composants et de produits techniques complexes. Fondée en 1946 par une seule personne, Strama-MPS est devenue un leader technologique exceptionnel dans le secteur de l'automobile et de la sous-traitance automobile, avec plus de 1600 employés dans le monde.
Une application de calcul facile à utiliser
Les décideurs de Strama-MPS se sont donc tournés vers CADFEM, car en plus de la réduction de l'effort, assurer la fiabilité du processus était une priorité. Les spécialistes de la simulation ont d’abord suggéré d'analyser la situation en détail avec le logiciel éprouvé d’Ansys, puis de créer sur cette base un programme facile à utiliser, qui offrirait la fiabilité nécessaire.
Du point de vue de la conception, ce programme est simplement un masque de saisie dans lequel est entré le centre de gravité total prévu pour le cadre du stenter. Le concepteur reçoit alors de l'application un retour d'information instantané, codé en couleur, indiquant si l'assemblage prévu est conforme ou non aux limites de charge du cadre. Il n'existe pas de moyen plus rapide, plus simple et plus fiable de réaliser une analyse avec la meilleure traçabilité possible.
Maximilian Brunner, Chef de projet BU Corps en blanc, Strama-MPS Maschinenbau GmbH & Co. KGGrâce à l'application Hheatmap générée par CADFEM, le département de conception de notre client peut facilement vérifier directement en CAO si la conception du cadre du stenter est adapté aux nouveaux dispositifs. Cela a donné au constructeur de voitures de sport un énorme avantage en termes de temps et d'argent."
Un chemin complexe vers la simulation
Cette utilisation qui semble si simple a nécessité une expertise considérable. L'une des raisons en est l'énorme complexité des paramètres décisifs. Les experts en simulation ont donc réduit l'effort de calcul dans un premier temps aux points essentiels du modèle sans affaiblir la valeur informative. En outre, la simulation se concentre sur la résistance du cadre et non sur les unités de serrage et les composants serrés. Par conséquent, ceux-ci ont pu être représentés dans la simulation en utilisant un simple point de masse.
Cela présente l'avantage de travailler avec un modèle réduit dans lequel seules certaines parties du cadre et les points de connexion jusqu'aux roulements doivent être examinés. Les roulements eux-mêmes n'étaient pas nécessaires. Au lieu de cela, l'accent a été mis sur la question de la défaillance des éléments de connexion de la structure du cadre, avec les boulons, les connexions et les soudures correspondantes en fonction des différentes positions du centre de gravité et des angles.
Outils CADFEM orientés vers la cible
Il y a quelques années, CADFEM a développé deux outils logiciels spécifiques pour la simulation des soudures et des boulons, qui fournissent des services précieux à cet égard. "FKM inside Ansys" est basé sur la directive FKM et évalue les cordons de soudure ainsi que les composants non soudés. "Bolt Assessment inside Ansys" évalue les boulons conformément à la norme VDI 2230. Pour l'évaluation globale du cadre du stenter, deux simulations distinctes ont été réalisées avec les outils CADFEM pour environ 50 boulons et 70 soudures qui sont chargés différemment selon l'angle d'inclinaison et le placement. Tout le monde est familier avec la représentation d'un calcul FEM typique sur le modèle avec des gradients de couleur. Dans ce cas, environ 400 illustrations de ce type se chevaucheraient, c'est pourquoi la représentation sous la forme d'une "carte thermique" a été utilisée. Cette carte synthétique indique très clairement les zones critiques ou "chaudes" dans un système de coordonnées en fonction de l'angle et de la force.
Le dimensionnement d'un composant ou d'un cordon de soudure peut être testé dès la phase de conception. Avec CADFEM "FKM inside Ansys", un service automatisé ou une vérification de la résistance à la fatigue des composants soumis à des contraintes mécaniques selon la directive FKM peuvent être réalisés dans les plus brefs délais. La génération du rapport final comprend la description complète des paramètres de vérification utilisés.
Combinaison astucieuse pour le modèle de simulation
La vaste expérience des experts de CADFEM est visible dans la structure du modèle de simulation et dans la combinaison habile des logiciels CADFEM et Ansys. Il fallait répondre à la simple question de savoir si la structure tiendrait ou non, même si la structure présentait un fort comportement non linéaire avec un nombre presque infini de paramètres. Par conséquent, l'optimisation avec des métamodèles était nécessaire pour revenir dans le domaine fini.
La préparation du modèle, en termes de données CAO 3D appropriées, est effectuée par Ansys Space Claim. L'analyse statique-mécanique ainsi que la validation de la conception du cadre du stenter sont effectuées dans Ansys Mechanical. Pour l'évaluation et la vérification de la résistance, Ansys Pre/Post est utilisé conjointement avec CADFEM "FKM inside Ansys" et CADFEM "Bolt Assessment inside Ansys". L'optimisation décisive et les déclarations sur la sensibilité sont effectuées avec la version Ansys optiSLang.
Les boulons relient des composants et doivent résister de manière fiable à leurs charges, généralement sur une longue période et avec des charges variables. Avec "Bolt Assessment inside Ansys", vous pouvez évaluer tous les cas de charge et trouver les charges critiques dans les assemblages boulonnés. Le calcul et la vérification selon la directive VDI 2230 s'effectuent automatiquement, rapidement et sont très pratiques.
Cinq dimensions, un résultat
Ansys optiSLang a également permis de prendre en compte cinq dimensions lors du calcul, qui ont ensuite été décomposées en trois dans le résultat. Les cinq dimensions comprennent les directions x et y ainsi que l'angle de rotation. La quatrième dimension du calcul est la quantité de force appliquée, suivie de la cinquième dimension, qui est le pourcentage d'utilisation de la structure. L'utilisateur obtient ainsi la force admissible en fonction des deux dimensions x et y, pour lesquelles la structure est soumise à la charge maximale.
Fiabilité des processus et optimisation réussie
À l'aide de ce modèle de simulation, il a été possible de déterminer la charge maximale admissible en fonction de l'évolution du point d'application de la charge. Les nombreux résultats peuvent être rapidement et clairement visualisés dans la carte thermique présentée. Les différentes valeurs du système de coordonnées ont été enregistrées dans un fichier CSV, protégé en écriture, dans MS Excel, qui sert à son tour de base au masque de saisie de l'application de conception. Pour Strama-MPS, il s'agit d'une mise en œuvre réussie de la demande de rendre une simulation complexe avec support CADFEM facilement accessible aux utilisateurs.
Le modèle de simulation a en effet permis d'obtenir une charge maximale admissible de la structure précédente de 2043 kg à son point le plus fort. En utilisant des boulons ou des joints soudés supplémentaires, il serait même possible d'atteindre une capacité de charge maximale de 3000 kg. Les résultats montrent une fois de plus à quel point une simulation correctement appliquée est utile et fiable dans le processus de développement de produits. Il n'est pas nécessaire d'être soi-même un professionnel pour utiliser efficacement la simulation. CADFEM offre expertise pour faire de la simulation une des sources les plus riches pour augmenter l'efficacité du développement et de la conception. Strama-MPS est un bon exemple de la façon dont CADFEM maintient toujours la fiabilité et les coûts dans le cadre de ses activités
Strama-MPS Maschinenbau GmbH & Co. KG
Maximilian Brunner
www.strama-mps.de
Auteurs: Thomas Löffler (rédacteur indépendant)
Images: © Strama MPS
Publié: Octobre, 2022
