Méthodologie de conception préliminaire robuste des assemblages vissés basée sur des modèles de pré-dimensionnement

Robust approach to the preliminary design of bolted joints based on simplified models

• Auteur / Autrice : Thomas Dericquebourg
• Direction : Marc Sartor, Louis Jézéquel
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie mécanique. Génie des matériaux
• Date : Soutenance en 2009
• Etablissement(s) : Toulouse, INSA

Mots clés

Mots clés contrôlés

Conception technique

Assemblages à boulons

Mots clés libres

Conception robuste

Assemblage vissé

Pré-dimensionnement

Modèle simplifié

Avant-projet

Aide au choix

Classement

Risque

Résumé

Dans un contexte de réduction continue des temps de conception, il est primordial d'effectuer des choix pertinents en amont des projets pour limiter les remises en cause tardives, synonymes de perte de temps, et pour permettre une conception simultanée efficace des différents éléments en jeu. Les phases d'avant-projet étant caractérisées par de nombreuses incertitudes et indéterminations des paramètres principaux, les choix réalisés en amont doivent alors être robustes face aux potentielles variations des données et des paramètres au cours du processus de conception. Concernant les assemblages vissés, éléments largement utilisés dans le domaine automobile pour relier différentes pièces qui nécessitent de pouvoir être démontées, les outils nécessaires pour réaliser leur pré-dimensionnement manquent. En effet, bien que de nombreux modèles existent, ils sont essentiellement mono-vis, dédiés à certaines applications précises ou alors trop lourds pour être utilisés en avant-projet. C'est pourquoi une méthodologie de conception préliminaire robuste des assemblages vissés a été développée. La mise en place de cette méthodologie a nécessité le développement d'un modèle local générique d'une liaison vissée et d'une approche globale permettant de prendre en compte des assemblages multi-vis. Ces développements ont été réalisés avec un souci permanent de limitation des temps de calcul pour qu'ils puissent ensuite être intégrés dans une stratégie de conception préliminaire robuste. La méthodologie de conception préliminaire robuste des assemblages vissés se base alors sur un modèle local de pré-dimensionnement qui permet de décrire le comportement complexe d'une liaison vissée de manière quasi-instantanée. Ce modèle local est suffisamment générique pour traiter plusieurs types de pièces et son domaine d'application a été clairement défini pour connaître ses limites. La méthodologie se base ensuite sur un modèle global qui permet de prendre en compte les assemblages multi-vis et donc les interactions entre les différentes liaisons. Cette approche globale permet de décrire le comportement d'un assemblage constitué de plusieurs vis et a été validée sur une famille d'assemblages vissés spécifiée. Enfin, à partir de ces modèles de pré-dimensionnement développés, une stratégie de pré-conception robuste a été mise en place. Cette stratégie consiste à balayer différentes configurations possibles pour concevoir un assemblage vissé et à estimer les risques de défaillance ainsi que les coûts prévisionnels associés. Elle met en oeuvre des plans d'expériences optimisés ainsi qu'une démarche de regroupement de solutions innovante afin de pouvoir donner des préconisations de forme de l'assemblage et ainsi guider la phase suivante de conception détaillée. Cette méthodologie permet au final de donner, en un temps réduit, un ensemble d'informations pertinentes sur les risques de défaillances des configurations potentielles ainsi que sur leurs coûts prévisionnels afin que le concepteur puisse faire un choix réfléchi de configuration d'un assemblage vissé en phase avant-projet avec une maîtrise du risque et du coût

In the current context, consisting in continually reducing the design process duration, it is fundamental to make relevant choices upstream of the projects so as to avoid late reconsiderations, that are time and resources consuming, and to enable an efficient concurrent engineering. The first steps of the design process are characterized by the uncertainties and the main parameters indeterminations. As a result, the first choices have to be robust against the potential data and parameters variations that may appear all along the design process. In the automotive industries, the bolted joints are widespread since they are practical for setting up removable junctions between subassemblies. However, tools for pre-dimensioning them are lacking. Although numerous models do exist, they essentially handle single-bolt joints or specific applications, or the models are too much time consuming to be used in a preliminary phase. That is why a robust approach to the preliminary design of bolted joints has been developed. This approach is firstly based on the development of pre-dimensioning models, a generic local model dedicated to describe a single bolt joint and a global model in order to take into consideration multi-bolted joints. The reduced time requirement has continually be considered so as to then integrate theses models in a preliminary robust design strategy. The robust approach to the preliminary design of bolted joints uses a local pre-dimensioning model to describe the complex behavior of a bolted-joint in a very short time. This model is generic enough to handle several kinds of parts and its validity field has been clearly defined to know its limits. The methodology is then based on a global model that enables to consider multi-bolted joints and so their mutual interactions. This approach has been validated on a specified bolted joints category. Eventually a robust pre-design strategy has been carried out from the previous models. This strategy consists in scanning different potential configurations in order to design a multi-bolted joint assembly and in estimating the associated risks and the projected costs for each configuration. In this strategy, optimized designs of experiments are used as well as an innovative clustering approach to aggregate solutions and then to give some shape recommendations of the assembly and so to guide the sequel step of detail design. Actually, the overall methodology allows to give a set of relevant information concerning the faulty risks and the projected costs of possible solutions in a reduced time. These data can then help the designer to make the best choices of a configuration for a bolted joints assembly in a preliminary design with a risk and cost control