Atténuez la concentration des contraintes grâce à ces conseils de conception

Lorsque les équipes produit passent par le processus de sélection des matériaux, elles recherchent, entre autres, un matériau aux propriétés mécaniques adaptées à l'utilisation finale de la pièce. Cela garantit que le matériau ne sera pas utilisé dans des applications au-delà de sa limite d'élasticité. Pourtant, même les pièces fabriquées à partir du bon matériau échouent parfois - pourquoi ?

L'une des raisons pour lesquelles les matériaux échouent est la concentration des contraintes, un défaut de conception qui compromet l'intégrité structurelle de la pièce. Voici tout ce que les équipes produit doivent savoir sur la concentration du stress, et comment la réduire grâce à une conception réfléchie.

Qu'est-ce que la concentration de stress ?

Une concentration de contrainte est un point dans la conception de la pièce où la contrainte est significativement plus élevée que dans la zone environnante. Les concentrations de contraintes sont le plus souvent causées par un changement brusque de la géométrie de la pièce, généralement autour des angles vifs, des trous, des encoches ou des rainures.

Les concentrations de contraintes sont également plus susceptibles de se produire dans les pièces aux conceptions complexes ou sophistiquées. Même si des formes géométriques uniques peuvent augmenter les performances globales de la pièce, elles provoquent également des transferts de charge tortueux et augmentent la probabilité de concentrations de contraintes.

Le facteur de concentration de contraintes, noté K_t , peut être défini comme le rapport de la contrainte la plus élevée dans la pièce à la contrainte de référence. Pour exprimer mathématiquement la concentration de contraintes, l'équation est :

σ_max est égal à la contrainte maximale et σ_ref égale la contrainte de référence. Une pièce exempte de toute irrégularité a une valeur proche de un, tandis qu'une pièce avec un maximum d'irrégularités ou de discontinuité a une valeur supérieure à un.

Lorsqu'une pièce présente des concentrations de contraintes, elle est plus susceptible de tomber en panne de deux manières. Premièrement, la pièce a tendance à se rompre directement à cause de la concentration de contraintes, ce qui entraîne généralement des fissures. Deuxièmement, même si la pièce ne subit pas de fracture visible, les concentrations de contraintes peuvent raccourcir considérablement le cycle de vie du produit en affaiblissant la pièce au fil du temps.

4 méthodes pour réduire la concentration de stress

Pour assurer la longévité de leurs pièces et éviter les fractures, les équipes de produits doivent exécuter des modèles FEA pour s'assurer qu'il n'y a pas de concentrations de contraintes ou de déformations. Voici quatre conseils que tous les concepteurs et équipes produit devraient connaître :

1. Inclure des transitions progressives dans la conception

La cause la plus fréquente des concentrations de contraintes est un changement brusque de géométrie ou une transition de forme abrupte. Pour tenir compte de cela, les concepteurs doivent utiliser des mesures de conception spécifiques telles que des rayons de congé ou des conicités pour faciliter la transition d'une forme à une autre. Le lissage des zones critiques de la conception de la pièce influence le flux de contraintes et empêche les contraintes de s'accumuler à un endroit.

2. Utilisez des encoches en relief

Les concepteurs peuvent également atténuer les concentrations de contraintes en enlevant de la matière près des encoches, créant ainsi une rainure supplémentaire appelée encoche en relief. Même si les encoches en relief ajoutent un peu de géométrie supplémentaire à la conception, les concepteurs peuvent utiliser des encoches en relief pour contrôler les lignes de contrainte dans une pièce. Ces fonctionnalités peuvent être testées et perfectionnées par des analyses FAE successives.

3. Optez pour plusieurs petites encoches en relief plutôt qu'une seule longue

Pour les moments où les trous et les encoches sont inévitables, il est préférable d'utiliser de nombreuses petites encoches en relief. Contrairement à la technique précédente, où une seule rainure est utilisée pour corriger les irrégularités, cette approche consiste à entourer chaque encoche intentionnelle de plusieurs encoches plus petites pour lisser les concentrations de contraintes potentielles. Les ingénieurs peuvent retirer du matériau supplémentaire pour créer des encoches miniatures tout en conservant l'encoche d'origine.

4. Évitez les angles vifs

Les angles vifs doivent être évités par principe, en particulier lors de l'usinage CNC de géométries de pièces internes, mais les concepteurs doivent également les éviter s'ils craignent de créer des opportunités de concentration de contraintes. Si le motif le permet, les concepteurs doivent toujours utiliser un rayon de congé aux angles vifs. Ce facteur de conception garantit que la section transversale diminue progressivement au lieu de soudainement, et répartit les contraintes dans toute la pièce de manière plus uniforme.

Réduire le stress avec Fast Radius

Les concentrations de contraintes, lorsque trop de contraintes s'accumulent à un moment donné de la conception, peuvent compromettre l'intégrité structurelle d'une pièce et l'affaiblir ou la casser prématurément. Heureusement, les équipes produit peuvent éviter les concentrations de contraintes en incorporant les conseils de conception et les solutions de contournement susmentionnés dans leurs conceptions de pièces.

Un partenaire de fabrication mondial comme Fast Radius peut aider les équipes de produits à optimiser leurs conceptions pour réduire la concentration de contraintes et faire passer leurs pièces au niveau supérieur de fonctionnalité et d'esthétique. Notre équipe de concepteurs, d'ingénieurs et de machinistes chevronnés a accès aux dernières technologies de conception disponibles et vient à la table avec des décennies d'expérience pour aider les équipes à perfectionner leurs conceptions pour des performances optimales. Contactez-nous dès aujourd'hui - rendons de nouvelles choses possibles.

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