Bibliographie & annexes
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Présentation
En anglais
RÉSUMÉ
L'optimisation des structures mécaniques a pour objectif la détermination de la meilleure conception possible en termes de coût et de qualité. En général, le concepteur considère un critère d'optimisation, des restrictions et des variables de conception de type numérique et fait appel à des procédures de type déterministe. Cependant, les variables sont le plus souvent considérées comme des variables déterministes. Dans cet article, on intègre l’aspect aléatoire des différentes variables. Une première démarche a été le contrôle du niveau de fiabilité. Ainsi, il est usuel de chercher à déterminer une conception optimale satisfaisant un niveau de fiabilité cible.
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Optimization of mechanical structures serves to determine the best possible design in terms of cost and quality. In general, the designer considers an optimization criterion, restrictions and numerical variables, and uses deterministic procedures. However, the variables are most often considered as deterministic. This widely used approach can be unsound when there is variation in parameters. The first aspect considered is the control of the level of reliability. As a result it is common to seek to determine an optimal design that meets a level of reliability.
Auteur(s)
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Abdelkhalak EL HAMI : Professeur des universités, laboratoire de mécanique de Normandie (LMN) INSA, Rouen-Normandie, France
-
Bouchaïb RADI : Professeur des universités – LIMII, FST, Settat, Maroc
INTRODUCTION
L’optimisation des structures mécaniques a pour objectif la détermination de la meilleure conception possible en termes de coût et de qualité. En général, le concepteur considère un critère d’optimisation, des restrictions et des variables de conception de type numérique, réelles ou entières, et fait appel à des procédures de type déterministe. Par exemple, on peut citer les méthodes usuelles de descente ou des algorithmes de type stochastique ou hybride. Cette approche très répandue peut être mise en défaut lorsque la variabilité des paramètres ou des phénomènes de type aléatoire doit être prise en compte.
En raison des erreurs de modélisation des incertitudes inhérentes aux caractéristiques mécaniques, aux dimensions géométriques, aux procédés de fabrication et d’assemblage, les modèles de conception des structures mécaniques doivent être construits en tenant compte des incertitudes sur les paramètres de conception dès la phase de la conception et ensuite au cours du procédé d’optimisation. Ainsi, se pose la question de la robustesse de l’optimisation vis-à-vis des incertitudes sur les paramètres de conception et la remise en question des solutions trouvées par les méthodes d’optimisation déterministe.
Une première approche, pour prendre en compte ce que l’on appelle de manière générale les « incertitudes », consiste à utiliser des coefficients de sécurité, c’est-à-dire à ne pas considérer le résultat de l’optimisation comme étant la conception à proposer, mais à le modifier de façon à assurer une plus grande fiabilité, en général à l’aide d’un coefficient multiplicatif. Cette approche souffre de son manque de généralité : les coefficients de sécurité, aussi appelés « facteurs de sûreté », sont intimement liés à la situation particulière étudiée et à l’expérience de l’ingénieur et ne peuvent donc pas être étendus à de nouvelles situations, notamment lorsque l’expérience accumulée est encore faible et l’historique des défauts constatés n’est pas suffisamment riche.
En réponse à ces difficultés, des méthodes d’analyse tendant à prendre en compte le caractère aléatoire ont été développées. Dans cette démarche, un des premiers aspects envisagés a été le contrôle du niveau de fiabilité ou, ce qui est équivalent, la probabilité de défaillance de la solution du problème d’optimisation. Ainsi, il est usuel de chercher à déterminer une conception optimale satisfaisant un niveau minimal de fiabilité : on parle alors « d’optimisation prenant en compte la fiabilité » ou « d’optimisation fiabiliste ».
Dans cet article, on présente le concept de la fiabilité des structures mécaniques, puis celui de l’optimisation des structures. Enfin, on couple les deux concepts pour introduire l’optimisation fiabiliste. On termine par des exemples d’application issus du milieu industriel.
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KEYWORDS
Reliability | random | reliability based design optimization | reliability index | probability
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Présentation
Application de l’optimisation fiabiliste à l'aile d'avion
En anglais
4. Étude de l'optimisation fiabiliste d'un moteur à ultrasons
4.1 Présentation du problème
Les moteurs ultrasonores à ondes progressives annulaires possèdent de nombreuses qualités dont les plus intéressantes sont une architecture simple, un couple important délivré à faible vitesse de rotation, un fort couple de maintien d’arrêt et une insensibilité aux champs magnétiques parasites. Ces caractéristiques les prédisposent à une utilisation en micromécanique de précision et leur ouvrent de nombreuses perspectives d’applications industrielles. Toutefois, si chaque jour, ces moteurs fonctionnent dans des systèmes mécatroniques complexes, la caractérisation du comportement mécanique réel de chacun des composants reste encore imparfaite. Dans cet exemple, on s’intéresse plus particulièrement au moteur piézoélectrique SHINSEI USR 60. L’augmentation nécessaire de la durée de vie de ce moteur, limitée par une usure importante de ses composants, impose une analyse approfondie de la structure dans ses conditions de fonctionnement. Pour mieux comprendre le mécanisme de dégradation par usure, nous proposons une étude de fiabilité du moteur SHINSEI USR 60 (figure 8). La caractérisation mécano-fiabiliste de l’interface de contact stator/rotor et de la répartition radiale de la pression de contact qui s’y exerce est notre principal objectif. Ces résultats nous permettent alors de proposer un ensemble de recommandations pour optimiser la sûreté de fonctionnement du moteur piézoélectrique. Sous conditions normales de fonctionnement, le moteur USR 60 est soumis à :
-
un chargement statique axial de précontrainte entraînant des déformations axiales et radiales du stator et du rotor ;
-
une excitation dynamique du stator, entraînant des déformations de flexion hors-plan qui, en se propageant dans le volume du stator, créent par entraînement, un déplacement de corps rigide du rotor ;
-
des efforts de contact et de frottement statiques et dynamiques à l’interface de contact entre le stator et le revêtement de friction.
Le comportement mécanique des composants du moteur est complexe et impose un découplage des sollicitations. Une étude comparative des résultats permet d’appréhender l’influence de chacune sur le comportement global de la structure.
La première étape de cette étude est de proposer une modélisation numérique par la méthode des éléments...
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Étude de l'optimisation fiabiliste d'un moteur à ultrasons
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - RADI (B.), EL HAMI (A.) - The study of the dynamic contact in ultrasonic motor. - Applied Mathematical Modelling, vol. 34(12), p. 3767-3777 (2010).
-
(2) - RADI (B.), MAKHLOUFI (A.), EL HAMI (A.), SBAA (M.) - Optimization safety factors to study an ultrasonic motor. - International Journal Simulation Multidisciplinary Design Optimization, vol. 4, p. 71-76 (2010).
-
(3) - EL HAMI (A.), RADI (B.) - Fiabilité et optimisation des systèmes : théorie et applications. - Ellipses (2011).
-
(4) - EL HAMI (A.), RADI (B.) - Uncertainty, optimization in structural mechanics. - Wiley, Sons (2013).
-
(5) - EL HAMI (A.), RADI (B.) - Incertitudes, optimisation et fiabilité des structures. - Hermès-Lavoisier (2013).
-
(6) - EL HAMI (A.),...
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