Modélisation numérique des mécanismes. Influence des jeux, de la déformation et des impacts multiples

Numerical modelling of mechanism. Effect of clearance, deformation and multiple impacts in joints

• Auteur / Autrice : Narendra Akhadkar
• Direction : Bernard Brogliato, Vincent Acary
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Matériaux, mécanique, génie civil, électrochimie
• Date : Soutenance le 25/04/2016
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ingénierie - matériaux mécanique énergétique environnement procédés production (Grenoble ; 2008-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut national de recherche en informatique et en automatique (France). Centre de recherche de l'université Grenoble Alpes
• Jury : Président / Présidente : Claude-Henri Lamarque
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Bernard Brogliato, Vincent Acary, Frédéric Dubois, Michel Abadie
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Olivier Thomas, Yann Monerie

Mots clés

Mots clés contrôlés

Simulation par ordinateur

Mécanique du contact

Mots clés libres

Mécanique du contact

Des impacts

Calculs de mécanismes

Simulation numérique

Contact mechanics

Impacts

Clearance

Numerical simulation

Résumé

La simulation de la dynamique des systèmes multicorps avec contact frottant joue un rôle important dans un grand nombre d'applications industrielles.Elle est même devenue une partie importante du développement de nouveaux produits, de la vérification et même de l'optimisation de leur conception pour améliorer les anciens produits.Les travaux présentés dans cette thèse font partie d'une collaboration entre l'équipe BiPoP, équipe de recherche de l'INRIA Grenoble, et Schneider Electric.Le but principal de ces travaux est de comprendre l'influence du jeu dans les articulations, ainsi que l'influence du dimensionnement industriel et les tolérances géométriques sur lecomportement global des liaisons mécaniques. Plus spécifiquement nous avons étudié le mini-disjoncteur C-60 (domaine dans lequel la sécurité humaine doit être garantie), pour répondre à cette demande de robustesse, tout en respectant les tolérances sur les pièces constituant le disjoncteur C-60.Le jeu radial dans les articulations pivot est une source de variabilité dans les conditions initiales du système, mais également dans la dégradation de ses performances.La dégradation du système se présente toujours sous forme de vibrations, de bruit, de forces de réactions très grandes dans les articulations, de mauvaise précision et exactitude de la sortie.Le but est d'étudier l'influence des conditions initiales et le déplacement hors-plan, ainsi que l'effet de polarisation en trois dimensions.Un objectif supplémentaire est de développer un banc d'essai virtuel efficace pour reproduire les mesures obtenues sur un vrai banc d'essai en laboratoire, en utilisant la plateforme logicielle SICONOS qui utilise la méthode NSCD (Non Smooth Contact Dynamic) introduite par J.J. Moreau et M. Jean.Le schéma NSCD a prouvé son efficacité numérique: il est capable de traiter des problèmes de complémentarité, le contact ainsi que les impacts et les lois de frottement multivaluées.Le but est de comprendre quelle est la meilleure description géométrique pour simuler de très petits jeux.L'étude complète est divisée en deux parties. La progression part du cas planaire pour arriver au cas spatial, et la complexité suit le même chemin.Dans le cas planaire, on analyse un mécanisme à quatre barres avec du jeu quand une des articulations est commandée en boucle ouverte, ou par retour d'état linéaire ou non-linéaire(PD, linéarisation par retour d'état, ou commande passive).L'accent est mis sur la quantification de la dégradation des performances quand du jeu est ajouté dans les articulations. On montre alors que les commandes par retour d'état se comportent de façon robuste.Dans le cas spatial, le mécanisme C-60 est analysé précisément pour explorer les possibilités de relaxer les tolérances industrielles sur les pièces sans compromettre ni les performances ni la sécurité. L'influence de l'entrée, du modèle et des incertitudes numériques sur le modèle C-60 est étudiée.L'influence induite par le jeu et le coefficient de frottement dans les articulations sur la performance du produit est étudiée.Pour valider le modèle de simulation, des expériences sont effectuées sur des prototypes d'essai et les résultats sont comparés avec les simulations numériques.Nous avons trouvé une bonne correlation entre les résultats numériques et expérimentaux.L'analyse statistique~(analyse du pire cas, et par des simulations basées sur la méthode de Monte-Carlo) a été réalisée pour trouver la dispersion des conditions fonctionnelles.En plus des variations dimensionnelles, la tolérence aux variations géométriques comme la forme, l'orientation et la position, est analysée.Ce travail de recherche devrait aider les concepteurs à simuler le comportement du système mécanique avec une articulation de révolution imparfaite,depuis l'étape de conception préliminaire jusqu'à la fin de la conception pour avoir une amélioration significative de la planification et du budget.

Dynamic simulation of multibody systems with unilateral contact and friction plays an important role in a wide range of industrial applications. It has become an integral part of new product development, verification/optimization of the design and to enhance the old products.This work is a part of collaboration between the BiPoP research team of INRIA Grenoble and the Schneider Electric company.The main goal of this thesis is to understand the influence of clearances in the revolute joints on the overall behaviour of the linkage mechanisms and specifically on the C-60 miniature circuit breaker where human safety must be guaranteed.In other words, the objective is to address the robustness of the C-60 breaker with respect to the production tolerances, which areexpressed in the form of dimensional and geometrical variations on the parts. These variations are the source of clearance in the joints of the mechanism.The radial clearance in the revolute joints is a source of variability in the initial conditions of the system and also the degradation of the system's performance. The degradation of the system isalways in the form of vibration, noise, very high reaction forces at the joints.The aim is to study the influence of initial conditions and the out-of-plane motion, so the polarization effect in three dimensional case.Another objective is to develop the time efficient virtual test bench to reproduce the measurements of real test bench in the laboratory using the open-source simulation software SICONOS which is based on the NonSmooth Contact Dynamic method (NSCD) introduced by J.J. Moreau and M. Jean.The NSCD scheme is proven to be a quite efficient numerical method, capable of handling complementarity conditions, as well as impacts and set-valued friction laws.The goal is to understand what is the most appropriate geometricdescription which allows to simulate very small clearances.The complete study is divided in two main sections.The progress through these partsgoes from the planar to the spatial case, the complexity follows the same advance.In the planar case, a four-bar mechanism with joint clearance, when one joint is actuated by collocated open-loop or state feedback controllers (PD, statefeedback linearization, passivity-based) is analysed. The focus is put on how much the performancedeteriorates when clearances are added in the joints. It is shown that collocated feedback controllersbehave in a robust way.In the spatial case, the C-60 mechanism is analysed precisely to explore the possibilities to relax the manufacturing tolerances on the parts withoutany compromise on either performance or the human safelyThe influence of the input, model and numerical uncertainties on the C-60 model is studied. The joint-wise influences of the clearance and coefficient of friction on theproduct performance are studied.To validate the simulation model, experiments are carried-out on the prototype samples and the results are compared with the simulations.We found quite good correlation between the virtual and experimental results.A statistical analysis~(worst-case and Monte Carlo simulation) has been carried out to find out the dispersion of the functional conditions.In addition to dimensional variations, the geometrical variations such as form, orientation and position tolerances are also analyzed.This research work shall help the designers to simulate the real time behaviour of the mechanical systems with the imperfect revolutejoint from the pre-design stage till the end of the design, to have good improvement on schedule and budget.