Les fabricants de ressorts font face à trois défis majeurs : d’une part, les propriétés géométriques et mécaniques des fils livrés varient sensiblement d’une bobine de fil à l’autre ; d’autre part, les méthodes de dimensionnement actuelles reposent principalement sur des outils analytiques anciens et rudimentaires ; enfin, les exigences des clients sont toujours plus élevées. Ces problématiques affectent directement la fiabilité du dimensionnement et la stabilité de la production. Pour y faire face, les fabricants s’appuient sur le savoir-faire de leurs opérateurs, contraints de corriger itérativement et empiriquement la géométrie des ressorts pour répondre aux exigences du cahier des charges. Une analyse bibliographique approfondie a permis d’identifier deux axes de recherche prioritaires.
Premièrement, nous avons développé de nouveaux modèles analytiques plus précis pour mieux prédire le comportement mécanique des ressorts de compression cylindriques. La raideur tri-linéaire modélisée du ressort est évaluée à l'aide de deux avancées scientifiques : la considération des spires d’extrémité, ainsi que l’utilisation d’éléments finis hélicoïdaux. Nous avons également mis au point un modèle semi-analytique permettant de cartographier les contraintes en surface de toute poutre courbe à section circulaire. D’autres outils ont été développés pour estimer la fréquence propre du ressort, sa longueur à spires jointives, ou encore son comportement en flambage. Ces outils ont démontré leur fiabilité et leur robustesse grâce à plus de 400 essais expérimentaux et 250 simulations numériques sur des ressorts de compression cylindriques.
Puis, nous avons développé un algorithme d'optimisation intégrant ces modèles analytiques plus précis. L'objectif de cet algorithme était de proposer une solution à la fois la plus légère possible, qui garantit la plus forte probabilité de respecter le cahier des charges, le tout, en considérant les variabilités du fil, les incertitudes de fabrication, ainsi que l'éventuelle possibilité de réglage des machines après caractérisation du fil. La fiabilité et la robustesse de cet algorithme ont été vérifiées avec succès grâce à la confrontation de cet outil avec plus de 120 problématiques industrielles.
Ces avancées peuvent aider les chercheurs, concepteurs et opérateurs à mieux comprendre, dimensionner et fabriquer les ressorts de compression cylindriques à extrémités rapprochées (meulées ou non) et à pas constant. |
Spring manufacturers face three major challenges: on one hand, the geometric and mechanical properties of supplied wires vary significantly from one bobbin of wire to another; on the other hand, current spring sizing methods mainly rely on old and rudimentary analytical tools; finally, customer requirements are increasingly demanding. These issues directly affect the reliability of sizing and the stability of production. To address them, manufacturers rely on the expertise of their operators, who are forced to iteratively and empirically adjust the spring geometry to meet the specifications. A thorough literature review has identified two priority research areas.
Firstly, we developed new, more accurate analytical models to better predict the mechanical behavior of cylindrical compression springs. The modeled tri-linear stiffness of the spring is evaluated using two scientific advances: the consideration of end coils, and the use of helical finite elements. We also developed a semi-analytical model capable of mapping surface stresses of any curved beam with a circular cross-section. Additional tools were developed to estimate the natural frequency of the spring, its solid length, and its buckling behavior. These tools demonstrated their reliability and robustness through more than 400 experimental tests and 250 numerical simulations on cylindrical compression springs.
Then, we developed an optimization algorithm incorporating these more accurate analytical models. The goal of this algorithm was to propose a solution that is both as lightweight as possible and ensures the highest probability of meeting the specifications, while accounting for wire variability, manufacturing uncertainties, and the potential for machine adjustment after wire characterization. The reliability and robustness of this algorithm were successfully validated by comparing it with more than 120 industrial cases.
These advances could help researchers, designers, and operators better understand, size, and manufacture cylindrical compression springs with closed ends (ground or not) and constant pitch. |