Development of optimal helical spring design tools
Développement d'outils d'assistance à la conception optimale des liaisons élastiques par ressorts
Résumé
This thesis deals with the development of spring design tools for design engineers. These tools are to propose the best spring design directly from the designer requirements. Firstly, we have defined the main characteristics that should have such tools in order to satisfy the needs of both spring manufacturers and design engineers.
Next, we have developed a stock spring selection tool for compression springs. This tool is able not only to propose the best stock spring from within a catalogue but also the best way to use that spring depending on the specifications. Three selection methods have been developed to satisfy the various needs of designers. Each method can propose a spring whatever the specifications.
A tool for optimal custom compression spring design has also been developed. This process can be used even in the early design stages as data are set with interval values. It includes a large set of constraints, which can express not only the designer's requirements but also the standards and the technical capability limits of spring manufacturers. The problem is resolved using the Excel solver. The required starting point is automatically calculated by a dedicated algorithm, which uses interval arithmetic.
Both tools have been adapted to extension springs. All these tools have been successfully tested by a spring manufacturer to solve industrial problems. Torsion springs are more difficult to design than the previous springs. We started to adapt the previous tools to this type of springs.
Next, we have developed a stock spring selection tool for compression springs. This tool is able not only to propose the best stock spring from within a catalogue but also the best way to use that spring depending on the specifications. Three selection methods have been developed to satisfy the various needs of designers. Each method can propose a spring whatever the specifications.
A tool for optimal custom compression spring design has also been developed. This process can be used even in the early design stages as data are set with interval values. It includes a large set of constraints, which can express not only the designer's requirements but also the standards and the technical capability limits of spring manufacturers. The problem is resolved using the Excel solver. The required starting point is automatically calculated by a dedicated algorithm, which uses interval arithmetic.
Both tools have been adapted to extension springs. All these tools have been successfully tested by a spring manufacturer to solve industrial problems. Torsion springs are more difficult to design than the previous springs. We started to adapt the previous tools to this type of springs.
L'objectif de notre étude est de concevoir une gamme d'outils d'assistance qui puisse proposer la meilleure conception des ressorts directement à partir de l'expression des besoins. Une analyse de l'existant nous a conduit à définir les qualités que devraient posséder de tels outils pour couvrir les attentes du plus grand nombre de concepteurs, ainsi que celles des professionnels constructeurs de ressorts et ce dès la phase d'avant-projet.
Notre première contribution s'est traduite par la création d'un outil d'assistance pour la sélection d'un ressort de compression dans un catalogue. Cet outil propose non seulement le meilleur ressort de la base mais aussi le fonctionnement optimal associé. Trois méthodes de choix ont été élaborées pour classer les ressorts en fonction de l'objectif et des contraintes. Chacune permet d'apporter une réponse dans tous les cas de figure, notamment quand il n'existe pas de solution réalisable, le cahier des charges étant trop contraint.
Un deuxième outil a été proposé pour la synthèse dimensionnelle des ressorts de compression dits "sur mesure". Il gère les spécifications du cahier des charges, les normes de calcul ainsi que les contraintes de fabrication. L'optimisation a été confiée à une méthode déterministe intégrée au logiciel Excel. Notre préoccupation majeure dans cette partie a été de construire un algorithme préliminaire capable d'élaborer un point de départ de bonne qualité pour garantir la robustesse du processus.
Des outils équivalents ont été développés ensuite pour les ressorts de traction. Ces outils ont pu être validés par un fabricant de ressorts. Les ressorts de torsion conduisent à des problèmes plus complexes. Seule une ébauche des outils précédents a été réalisée pour les ressorts de torsion à branches tangentes. Les premiers résultats indiquent des pistes intéressantes pour les travaux à venir.
Notre première contribution s'est traduite par la création d'un outil d'assistance pour la sélection d'un ressort de compression dans un catalogue. Cet outil propose non seulement le meilleur ressort de la base mais aussi le fonctionnement optimal associé. Trois méthodes de choix ont été élaborées pour classer les ressorts en fonction de l'objectif et des contraintes. Chacune permet d'apporter une réponse dans tous les cas de figure, notamment quand il n'existe pas de solution réalisable, le cahier des charges étant trop contraint.
Un deuxième outil a été proposé pour la synthèse dimensionnelle des ressorts de compression dits "sur mesure". Il gère les spécifications du cahier des charges, les normes de calcul ainsi que les contraintes de fabrication. L'optimisation a été confiée à une méthode déterministe intégrée au logiciel Excel. Notre préoccupation majeure dans cette partie a été de construire un algorithme préliminaire capable d'élaborer un point de départ de bonne qualité pour garantir la robustesse du processus.
Des outils équivalents ont été développés ensuite pour les ressorts de traction. Ces outils ont pu être validés par un fabricant de ressorts. Les ressorts de torsion conduisent à des problèmes plus complexes. Seule une ébauche des outils précédents a été réalisée pour les ressorts de torsion à branches tangentes. Les premiers résultats indiquent des pistes intéressantes pour les travaux à venir.