Guide pratique : Gestion des redondances dans SOLIDWORKS Motion Analysis

Gestion des redondances et des degrés de liberté (DOF)

Lorsqu'on assemble des composants dans un environnement d'assemblage SOLIDWORKS classique, on n'a généralement pas besoin de se soucier outre mesure des degrés de liberté (DOF) ou de la gestion des redondances. La priorité est de garantir le bon positionnement des composants et la faisabilité de la production en aval. En revanche, lorsque l'on transfère ce même assemblage vers SOLIDWORKS Motion Analysis, les degrés de liberté, la gestion des redondances et le mouvement correct du mécanisme prennent une importance bien plus grande. Dans un article précédent, SOLIDWORKS Motion Analysis : les premières étapes vers la réussite, nous avons abordé les premières étapes à suivre lorsqu'on doit créer une analyse de mouvement à partir d'un assemblage SOLIDWORKS existant. Cet article fournit plus de détails sur la troisième étape de ce processus, à savoir l'élaboration d'un schéma d'assemblage tenant compte des degrés de liberté et la gestion des redondances.

Mouvement des corps rigides dans l'analyse de mouvement SOLIDWORKS

Dans SOLIDWORKS Motion Analysis, tous les composants se déplacent comme des corps rigides. Ils ne peuvent en aucun cas se déformer ou changer de forme. Chaque composant non contraint dispose de six degrés de liberté (DOF) : trois de translation (sur les axes X, Y et Z) et trois de rotation (autour des axes X, Y et Z). Chaque contrainte ajoutée supprime un certain nombre de degrés de liberté du système. Le tableau ci-dessous présente certaines contraintes disponibles dans SOLIDWORKS et le nombre de degrés de liberté qu'elles limitent.

Qu'est-ce qu'un licenciement économique ?

On parle de redondances lorsque plusieurs contraintes suppriment le même degré de liberté (DOF) pour un composant. Prenons par exemple les deux composants ci-dessous. Supposons que le composant de base soit fixe (0 DOF) et que la goupille soit libre (6 DOF). Notre exemple simple commence donc avec un total de 6 DOF. Nous souhaitons que la goupille puisse tourner librement dans le trou ; nous n'avons donc besoin de supprimer que cinq DOF. Il s'agit d'une articulation à charnière de base ; dans l'environnement d'assemblage SOLIDWORKS standard, nous pourrions donc utiliser une contrainte concentrique pour aligner les faces cylindriques (rouges) de la goupille et du trou dans le composant de base, puis utiliser une contrainte de coïncidence pour aligner les faces planes (violettes) des composants. Cela fonctionnerait parfaitement dans l'environnement d'assemblage SOLIDWORKS et laisserait la goupille libre de tourner.

Voyons maintenant comment le solveur de mouvement interprète ce schéma d'assemblage. Le composant de base est fixe ; il a donc 0 degré de liberté (DOF). La goupille est initialement non contrainte et dispose de 6 DOF. L'assemblage concentrique supprime la translation le long des axes X et Z ainsi que la rotation autour des axes X et Z. L'assemblage concentrique supprime donc quatre DOF au total. L'assemblage coïncident supprime la translation le long de l'axe Y ainsi que la rotation autour des axes X et Z. Ainsi, l'assemblage par coïncidence supprime trois degrés de liberté au total. Ces deux assemblages supprimés ensemble un total de sept degrés de liberté pour un composant qui n'en possède que six et pour lequel nous souhaitons en réalité n'en supprimer que cinq afin de permettre le mouvement souhaité. Cela se produit parce que ces deux assemblages suppriment certains des mêmes degrés de liberté, en particulier la rotation autour des axes X et Z. Lorsque deux assemblages ou plus suppriment les mêmes degrés de liberté pour un composant, nous appelons cela des redondances.

Comment le solveur d'analyse de mouvement gère-t-il les redondances ?

En présence de contraintes redondantes, le solveur tentera de les supprimer automatiquement, faute de quoi il ne pourra pas résoudre l'ensemble des équations de mouvement. Si cela peut fonctionner correctement dans des cas simples, ce n'est pas forcément le cas pour des mécanismes complexes. Des contraintes importantes risquent d'être supprimées, ce qui pourrait entraîner la séparation des corps ou le blocage du solveur. Il peut également arriver que l'étude soit calculée avec succès, mais que les forces de réaction soient incorrectes. La meilleure solution pour gérer les redondances consiste à créer des contraintes de position de manière systématique, pièce par pièce, en tenant compte des degrés de liberté.

Lorsque nous lançons l'analyse, le nombre de redondances s'affiche à côté du dossier « Mates ». Si vous cliquez avec le bouton droit sur le dossier « Mates » et sélectionnez « Degrees of Freedom », une liste des degrés de liberté et des redondances dans les contraintes s'affiche.

Degrés de liberté (DOF)

Que peut-on faire pour gérer les licenciements ?

Dans les cas où les contraintes SOLIDWORKS standard entraîneraient des redondances, voici quelques suggestions pour gérer ces redondances.

• Utilisez des contraintes mécaniques spéciales, telles que la contrainte de charnière. La contrainte de charnière est une excellente option pour l'exemple ci-dessus. La sélection de la contrainte Hinge Mate comprend deux faces cylindriques et deux faces planes, tout comme dans l'exemple ci-dessus, mais elle ne supprime que 5 degrés de liberté et laisse le degré de liberté de rotation autour de l'axe des cylindres sans contrainte. Il s'agit d'une contrainte spéciale spécialement conçue pour l'analyse de mouvement, c'est pourquoi elle se trouve dans l'onglet Mechanical Mates du gestionnaire de propriétés des contraintes.
• Utilisez les contraintes primitives pour réduire au minimum le nombre de degrés de liberté supprimés pour chaque contrainte.
• Utilisez des bagues, qui peuvent être considérées comme des éléments d'amortissement à ressort au niveau des assemblages, afin de laisser un léger jeu aux connexions entre les composants. Cela permet au solveur de trouver une solution malgré les redondances.
  • Il est préférable d'ajouter ou de configurer la douille au niveau de chaque liaison. Le paramètre de douille se trouve dans l'onglet « Analyse » du gestionnaire de propriétés de chaque liaison.
  • Évitez d'utiliser l'option globale « Remplacer les contraintes redondantes par des bagues ». Cette option risque de poser des problèmes lors de l'analyse. Elle peut certes résoudre le problème, mais donner des résultats erronés.
• Dans certains cas, il est possible d'ajouter des moteurs à l'étude de mouvement afin d'éliminer un degré de liberté. Une application courante consiste à empêcher la rotation d'un composant. Dans le cadre de l'étude de mouvement, un moteur rotatif peut être ajouté à la face cylindrique d'un composant afin d'empêcher sa rotation. Cela supprimera uniquement ce degré de liberté de rotation du composant autour de cette face cylindrique.