Intégration et mise en oeuvre de plans d’expériences numériques en modélisation et simulation système : étude de cas en ingénierie et dimensionnement des composants hydrauliques de puissance

Integration and implementation of numerical design of experiments applied system modelling : case of study on the design of hydraulics components

• Auteur / Autrice : Franck Maurice
• Direction : Zohra Cherfi-Boulanger, Benoît Eynard, Eric Noppe
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Ingénierie Industrielle : Unité de recherche en Mécanique - Laboratoire Roberval (FRE UTC - CNRS 2012)
• Date : Soutenance le 20/12/2019
• Etablissement(s) : Compiègne
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur (Compiègne)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Modèles mathématiques

Simulation par ordinateur

Conception technique

Optimisation mathématique

Plan d'expérience

Énergie mécanique -- Transmission

Machines oléo-hydrauliques

Pompes

Génie hydraulique

Hydraulique

Mots clés libres

Pompe à pistons

Plan d’expériences numériques

Simulation numérique

Méthode de conception

Transmission de puissance

Modélisation

Hydraulique de puissance

Piston pump

Experimental design

Computer simulation

Engineering design

Power transmission

Modelling

Hydraulics

Hydraulic engineering

Hydraulic machinery

Résumé

Cette thèse s'inscrit dans le cadre d'une Convention Industrielle de Formation par la Recherche (CIFRE) issue du partenariat entre le laboratoire Roberval de l'Université de Technologie de Compiègne et l'entreprise HYDRO LEDUC. Cette dernière fabrique et conçoit des composants hydrauliques tels que des pompes et moteurs à pistons, des accumulateurs, des vérins, mais aussi des outils spécifiques destinés à des applications diverses et variées. La discipline de l'hydraulique de puissance est omniprésente dans de nombreuses applications industrielle. Elle constitue une solution incontournable pour toutes les utilisations qui nécessitent des puissances élevées. Elle touche ainsi de nombreux domaines d'activité tels que les transports, l'aéronautique, les machines-outils, le BTP et bien d'autres. Les circuits hydrauliques, que ce soit en termes d'entrainement ou de contrôle, présentent de nombreux avantages. IIS permettent entre autre de transmettre des efforts considérables, garantissent un contrôle précis des récepteurs qu'ils soient linéaires ou rotatifs, et ont une durée de vie élevée. Les pompes hydrauliques sont le véritable cœur de tous les circuits hydrauliques. Dotées d'une puissance massique inégalable, elles sont capables de travailler à des hautes pressions tout en conservant un haut rendement global. Les contraintes environnementales ainsi que l'augmentation du prix de l'énergie font croître la demande en composants toujours plus performants. Afin de rester compétitif, les fabricants sont contraints de répondre à ces exigences tout en contrôlant leurs coûts de développement et production. La méthode conventionnelle d'amélioration des produits basée sur des cycles essais/erreurs est une démarche financièrement coûteuse et chronophage. Les vingt dernières années ont vu la puissance de calcul des ordinateurs croître de manière exponentielle, faisant de la simulation numérique un véritable outil de compréhension des phénomènes physiques et d'amélioration des produits. L'enjeu de notre travail consiste à s'approprier et à analyser les multiples données et savoirs théoriques issues de nombreuses années de travaux de recherche. A partir de ce socle de connaissances, l'objectif est de mettre au point une méthode de conception mettant en oeuvre la démarche des plans d'expériences et reposant sur la modélisation ainsi que sur la simulation dans la conception intégrée de composants hydrauliques. Cette dernière a été appliquée à une pompe à pistons axiaux à cylindrée variable. En effet, associée à des stratégies de conception dûment établies, la simulation numérique permet de réduire considérablement les temps de développement et d'amélioration des produits tout en diminuant de manière drastique le nombre d'essais expérimentaux.

This thesis has been achieved as part of the partnership between HYDRO LEDUC company and Roberval laboratory located at the "Université de Technologie de Compiègne". HYDRO LEDUC designs and makes hydraulic components such as piston pumps and motors, accumulators, cylinders and specific tools reserved for varied applications. A large amount of applications uses fluid power transmission. Indeed, because of its high power density, hydraulic solutions are unavoidable. Thus, this latter is present in various fields such as transport, aeronautical, machine tool, building industry and many others. Hydraulic circuits allow delivering considerable efforts. They enable a very accurate control of receptors and ensure a high life time to systems and components. Hydraulic pumps can be considered as the heart of every hydraulic systems. Their matchless high power density makes them to perform at high pressure while keeping a high efficiency level. Environment constraints, energy cost rise and global market have led manufacturers to make products more efficient while decreasing their manufacturing and development costs. Conventional design methodology relies on test/error cycles, which is a development strategy that can be expensive and time consuming. Computing power of computers have been increasing sharply over the last 20 years. In that sense, numerical simulation has become the mainstream in terms of design, research and development and physical analysis. The objective of our work is to gather, and analyse data and theoretical knowledge stem from many years of research investigations. From this point, the second goal of our work is to choose and develop a design strategy, which employs Design of Experiments method, and relying on numerical modelling and simulation applied to hydraulic components. This latter has been applied to a variable displacement axial piston pump. Hence, performing a design strategy that integrates Design of Experiments, numerical simulation and modelling for hydraulic components leads to reduce considerably the time and the cost of the design process.