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Simulation de la mécanique des structures chez le leader mondial du marché des grues mobiles

Simulation FEM pour le développement de grues chez Liebherr

La deuxième partie de la série sur l'importance de la simulation chez Liebherr-Werk Ehingen (LWE) est consacrée à la mécanique des structures ou à l'analyse FE pour déterminer la résistance et la déformation. Ce sujet est extrêmement important lorsqu'il s'agit de développer efficacement des grues à haute performance. Dans les parties 1 et 3, la simulation elle-même et le sujet de la CFD sont examinés plus en détail.

Diminution du poids, augmentation des performances

La réduction du poids est une tâche constante des développeurs. Un poids mort faible est avantageux pendant le transport et profite également à la longueur des flèches, car seul le poids mort, et non la charge utile, entre en ligne de compte lors du montage.

En outre, la réduction du poids mort, qui pèse sur la structure de la grue, augmente la capacité de charge. L'objectif de la conception légère est soutenu par des matériaux innovants. Les fabricants d'acier ont mis au point des aciers de construction à grain fin soudables dont la résistance est de plus en plus élevée.

Une tendance intéressante pour LWE. Après tout, doubler la résistance de l'acier signifie réduire de moitié le poids de la structure soudée ! Par conséquent, les structures en acier sont devenues de plus en plus fines, malgré la capacité de charge élevée requise.

200
Tonnes
Capacité de charge atteinte par une grue mobile tout-terrain à 8 essieux en 1982.
650
Tonnes
La capacité de charge en 2021 est égale à celle de son successeur plus lourd. La simulation permet.

Questions de stabilité

Les structures en acier à parois plutôt minces, soumises à une charge de pression prédominante, sont très sensibles à la stabilité. Les calculs d'analyse structurelle sont donc essentiels. Les phénomènes physiques typiques sont le flambement par flexion, le flambement par plaque et le flambement par coque. Dans la plupart des cas, les calculs analytiques fermés ne peuvent être effectués que dans des cas standard individuels. 

Lorsqu'il s'agit de calculer et de vérifier des assemblages en acier qui risquent d'être instables, la simulation numérique à l'aide de la FEM est un énorme soulagement. Dans ce domaine, LWE s'appuie sur le logiciel professionnel d'Ansys et sur les services de conseil de CADFEM.

Image : Simulation de haute précision du comportement de flambage sur la flèche d'une grue, réalisée avec Ansys Mechanical

 Joachim Henkel Ingénieur informaticien et responsable de l'ingénierie structurelle, Liebherr-Werk Ehingen GmbH
Joachim Henkel
Ingénieur informaticien et responsable de l'ingénierie structurelle, Liebherr-Werk Ehingen GmbH

Les résultats du calcul montrent qu'en utilisant cette approche, on se rapproche beaucoup du comportement mécanique structurel réel de l'ensemble de la grue.

La simulation est indispensable

Joachim Henkel dirige le département d'ingénierie structurelle de Liebherr-Werk Ehingen :

"La flèche télescopique de la grue tout-terrain montre à quel point les calculs Ansys FEM sont indispensables pour optimiser le poids et la rigidité des assemblages. Le "profil ovale" breveté par Liebherr s'est avéré être la forme de section transversale préférée dans la construction de flèches télescopiques. Il est relativement facile à fabriquer et présente un rapport poids/charge extrêmement favorable."

"Cependant, une condition préalable à l'utilisation de la nouvelle forme de profilé dans la construction de grues télescopiques était un concept fiable pour le calcul des coques à parois minces basé sur la FEM. En outre, la sensibilité élevée aux imperfections exigeait un niveau de qualité et de fabrication élevé. L'optimisation de cette forme de section brevetée n'a pu être obtenue que par d'innombrables calculs de variantes à l'aide de FEM dans Ansys."

Les défis de la mécanique des structures

Chez LWE, 80 % des défis pour lesquels des logiciels de simulation sont utilisés sont de nature structurelle et mécanique. Joachim Henkel décrit les exigences que lui et son équipe au LWE ont pour un logiciel de simulation moderne :

"En premier lieu, il y a la facilité d'utilisation et d'apprentissage, suivie par la rapidité et le réalisme des calculs. La tendance est de simuler plusieurs assemblages principaux adjacents dans un seul modèle FE. Ceux-ci sont reliés les uns aux autres par des conditions limites de contact. Cela exige des performances, qu'Ansys fournit. Les résultats des calculs montrent que cette approche est très proche du comportement structurel et mécanique réel de l'ensemble de la grue. 

Pour une conception précise et fiable de la couronne d'orientation entre le train de roulement et le châssis supérieur de la grue, il est nécessaire, par exemple, de prendre en compte le comportement en matière de rigidité des assemblages principaux adjacents respectifs, à savoir le train de roulement et la plate-forme d'orientation. Pour ce faire, il faut modéliser de manière réaliste le palier d'orientation avec toutes les pistes de support, de retenue et radiales (y compris les galets de roulement), ainsi que la structure métallique adjacente du train de roulement et de la plate-forme tournante. Ansys maîtrise cela de manière exemplaire".

Ansys chez LWE

La préparation de la géométrie est généralement effectuée avec Ansys SpaceClaim ou le DesignModeler. Ainsi, une géométrie externe réduite est élaborée à partir des données CAO existantes. Si nécessaire, des points détaillés (par exemple, au niveau des zones d'application des charges) sont conservés sous forme de modèle solide afin de pouvoir y effectuer des évaluations plus précises.

Le calcul est ensuite effectué dans Ansys Mechanical. Afin de pouvoir calculer un maximum de cas de charge aussi rapidement que possible, on commence par un calcul linéaire. Ensuite, les cas de charge sélectionnés sont examinés de manière plus approfondie sur le plan géométrique et matériel de manière non linéaire.

00:04 minL'analyse du comportement de flambage des structures à parois minces est une tâche d'ingénierie importante.

Afin de déterminer à l'avance la nécessité d'effectuer des essais de flambage supplémentaires, le LWE utilise un outil qui fournit un essai de flambage linéaire selon la norme (EC 1993-1-5) en tant qu'extension dans le Workbench. Si des essais de flambage supplémentaires sont nécessaires, une extension ACT (développée avec CADFEM) est utilisée pour appliquer les imperfections. En outre, des analyses spéciales, telles que le calcul du palier de pivotement du châssis inférieur et supérieur, des plaques de plancher ou de la charge sur les charnières, sont également possibles.

00:17 minCalcul du mouvement de la chaîne de la grue à chenilles à l'aide du module de simulation multicorps Ansys Motion.
Ansys Motion : Analyse du comportement de roulement de la chaîne

Ansys Motion permet de calculer le comportement de roulement de la chaîne sur les rouleaux de renvoi ou sur les roues motrices d'une grue à chenilles. Il en va de même pour une chenille afin de déterminer la charge sur les galets de roulement ou le comportement d'une chaîne suspendue librement. 

Évaluation requise

L'équipe de simulation LWE dirigée par Joachim Henkel reçoit régulièrement des demandes de clients et de l'assurance qualité interne pour évaluer les dommages relatifs au comportement de stabilité, en particulier sur les tubes diagonaux de la flèche des grues à flèche en treillis. L'approche précédente consistait soit en un remodelage 3D exact du tube défectueux, soit en un remplacement de la tige défectueuse afin d'éliminer tout doute. Ces deux opérations prennent beaucoup de temps et sont donc très coûteuses. 

La solution a été trouvée dans une extension adaptée dans Ansys. À cette fin, un modèle de calcul géométrique et matériellement non linéaire a été créé, qui se caractérise notamment par un processus de calcul rapide. Le comportement de stabilité a été vérifié en utilisant les lignes de contrainte de flambement européennes selon les normes DIN 18800-2 et EN 1993-1-1, qui ont été développées à partir d'essais réels.

Combinaison Ansys / Excel

Sur un modèle ainsi vérifié, un flambage local simplifié a été généré en utilisant les formes d'imperfections affines quasi effondrées, dont la forme et la position sur le tube peuvent également varier de manière paramétrique. Les études montrent que les réductions de la charge ultime qui en résultent sont particulièrement influencées par la position et la taille du flambement ainsi que par la finesse de l'ensemble du système.

Afin de permettre au LWE d'évaluer plus rapidement les cas individuels, un programme séparé a été développé, qui permet d'évaluer les tubes défectueux sur les tubes en treillis en question sur l'ensemble du spectre. La base des données est une base de données de 7 452 résultats individuels calculés. La variation des paramètres est choisie de telle sorte qu'une interpolation linéaire entre les résultats peut être tolérée.

La génération, l'évaluation et la vérification des ensemblesde données générés ont été largement automatisées grâce à une interaction entre Ansys et le programme Excel. L'évaluation rapide du comportement de stabilité des tubes en treillis avec des déformations plastiques locales est ainsi assurée dans le cadre du spectre requis pour LWE.

Joachim Henkel
Ingénieur informaticien et responsable de l'ingénierie structurelle, Liebherr-Werk Ehingen GmbH

Sans la simulation numérique, les prédictions sur la fiabilité et la durabilité d'un composant de grue soumis à des contraintes mécaniques plus importantes pendant sa durée de vie ne seraient que pure spéculation.

Ansys fondamentalement nécessaire

Joachim Henkel estime que l'avantage d'Ansys comme outil de simulation dans le domaine de l'ingénierie structurelle est fondamental :

 "Ansys nous permet d'exploiter la construction légère sur la grue. Il ne peut y avoir de produit compétitif sans construction légère, et pas de construction légère sans simulation. Les défis posés par les structures en acier toujours plus légères et donc aux parois plus fines ne peuvent être maîtrisés efficacement que par la simulation numérique. Sans simulation numérique, les prédictions sur la fiabilité et la durabilité d'un composant de grue soumis à des contraintes mécaniques plus importantes pendant sa durée de vie ne seraient que pure spéculation."

"Grâce aux programmes de simulation Ansys de plus en plus puissants et à la puissance de calcul croissante des systèmes, nous sommes également en mesure de créer des modèles de calcul toujours plus détaillés et très proches du comportement mécanique réel. Cela rend les prédictions sur l'aptitude à l'emploi absolument fiables."

La première partie de la série donne une vue d'ensemble de la simulation chez Liebherr-Werk Ehingen.

Dans  la troisième partie de notre série LWE, découvrez où et comment les simulations de flux réduisent considérablement les délais de mise sur le marché. 

Liebherr Werk Ehingen GmbH
www.liebherr.com

Auteur : Thomas Löffler
Images : © Liebherr
Publié : Juin 2022

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