Safran Aircraft Engines conçoit et réalise des moteurs pour avions civils et militaires. Dans le contexte aéronautique où chaque pièce est très coûteuse, il est souhaitable de ne pas attendre que la pièce soit achevée pour vérifier sa conformité ; des spécifications sont donc contrôlées à plusieurs étapes intermédiaires de la fabrication de la pièce. Ces spécifications sont appelées spécifications de fabrication.L'activité de transfert de fabrication consiste à déterminer les spécifications de fabrication à contrôler. L'objectif fixé par Safran Aircraft Engines dans le cadre de cette thèse est de développer une méthodologie pour le transfert de fabrication et de l'automatiser dans une solution logicielle. Ce logiciel devra s'appuyer au maximum sur les données d'entrée disponibles dans l'environnement numérique de la société. Pour répondre à cette problématique, le principe PITOL (Production and Intermediate TOLerancing) est proposé, ainsi que la modélisation associée DMPITOL (Deviation Model for PITOL). Une méthode de transfert de fabrication est élaborée, qui permet de réaliser efficacement l'ensemble du transfert de fabrication, depuis la synthèse des spécifications jusqu'au choix des valeurs de tolérances optimisées. Cette méthode est ensuite automatisée dans une application logicielle, pour la rendre utilisable dans le contexte industriel.Pour faciliter l’application de la méthode de transfert de fabrication dans le contexte de Safran Aircraft Engines, des règles de transfert sont élaborées pour deux procédés spécifiques à la société, et des solutions sont proposées pour inscrire la méthode dans le processus d’industrialisation de la société. / Safran Aircraft Engines designs and produces engines for commercial and military aircrafts. In the aeronautics industry, every produced part is really expensive. Consequently, the parts shall not be measured only when they are complete. For that reason, some specifications are verified at several intermediate stages of manufacturing. These specifications are called manufacturing specifications.Manufacturing transfer is the activity of determining the manufacturing specifications. With this PhD, Safran Aircraft Engines wants a manufacturing transfer method to be proposed. This method shall be automated in a software. The software inputs shall come from the digital environment of the company.In order to address this issue, PITOL (Production and Intermediate TOLerancing) and DMPITOL (Deviation Model for PITOL) are proposed. A manufacturing transfer method has been developed. It enables one to efficiently realize specification synthesis, tolerance analysis and tolerance optimization. Then the method is automated in a software, so that it is useable in industry.In order to ease the use of the method by Safran Aircraft Engines, some rules are proposed which make possible the calculation of manufacturing transfer for two specific processes. Moreover solutions are proposed to make the method suitable with the industrialization process.

abstract: Tolerance specification for manufacturing components from 3D models is a tedious task and often requires expertise of “detailers”. The work presented here is a part of a larger ongoing project aimed at automating tolerance specification to aid less experienced designers by producing consistent geometric dimensioning and tolerancing (GD&T). Tolerance specification can be separated into two major tasks; tolerance schema generation and tolerance value specification. This thesis will focus on the latter part of automated tolerance specification, namely tolerance value allocation and analysis. The tolerance schema (sans values) required prior to these tasks have already been generated by the auto-tolerancing software. This information is communicated through a constraint tolerance feature graph file developed previously at Design Automation Lab (DAL) and is consistent with ASME Y14.5 standard. The objective of this research is to allocate tolerance values to ensure that the assemblability conditions are satisfied. Assemblability refers to “the ability to assemble/fit a set of parts in specified configuration given a nominal geometry and its corresponding tolerances”. Assemblability is determined by the clearances between the mating features. These clearances are affected by accumulation of tolerances in tolerance loops and hence, the tolerance loops are extracted first. Once tolerance loops have been identified initial tolerance values are allocated to the contributors in these loops. It is highly unlikely that the initial allocation would satisfice assemblability requirements. Overlapping loops have to be simultaneously satisfied progressively. Hence, tolerances will need to be re-allocated iteratively. This is done with the help of tolerance analysis module. The tolerance allocation and analysis module receives the constraint graph which contains all basic dimensions and mating constraints from the generated schema. The tolerance loops are detected by traversing the constraint graph. The initial allocation distributes the tolerance budget computed from clearance available in the loop, among its contributors in proportion to the associated nominal dimensions. The analysis module subjects the loops to 3D parametric variation analysis and estimates the variation parameters for the clearances. The re-allocation module uses hill climbing heuristics derived from the distribution parameters to select a loop. Re-allocation Of the tolerance values is done using sensitivities and the weights associated with the contributors in the stack. Several test cases have been run with this software and the desired user input acceptance rates are achieved. Three test cases are presented and output of each module is discussed. / Dissertation/Thesis / Masters Thesis Mechanical Engineering 2016

Geometrical and dimensional metrology is used to verify that manufactured and assembled products satisfy the defined geometrical requirements and thereby the functional requirements. The dimensional measurement planning operation is carried out to define how the measurements are going to be collected and it has to consider the reliability, uncertainty and economics of the measurement procedure. The thesis work has been performed to map the current knowledge regarding measurement strategies and principles and to develop recommendations regarding a framework which defines how the measurement planning work should be carried out. The purpose of the work was thereby to perform a state-of-the-art study to map the available theoretical and empirical measurement strategies and principles. The purpose was also to test the impact of the strategies in a measurement experiment in order to validate the methodology. To fulfil the purpose of the work, a literature review and a case study was initially performed. The literature review investigated the available academically knowledge and the requirements defined in international standards regarding the measurement planning work. The case study mapped the methodologies and principles which were used in industry through contextual research and qualitative interviewing. The majority of the case study was carried out at Saab Aeronautics but to obtain a wider understanding of the topic a survey were also conducted where additional manufacturing companies were participating. The outcome of the case study and the literature review were thereafter merged and further analysed though the measurement analysis. The case study and the literature review shown that there existed several different methodologies and guidelines regarding how the work should be and was performed. Some of the factors which were further investigated were the impact of the number of measurement points, distance between the measurement points, uncertainty of the strategy and the considerations connected to the selection of the geometrical features. The measurement analysis provided insights regarding the impact on average, minimum-, maximum deviation and the variance due to the amount and distribution of the inspection points. The findings were presented as a resulting outcome of the recommended measurement strategy framework methodology. The methodology of analysing the impact of the measurement strategy was therefore implemented into the recommendations regarding the measurement planning framework. The purpose of the framework is to offer a reliable, standardized and traceable measurement planning process where knowledge sharing and continuous improvements are possible to implement. In addition to the analysis of the measurement planning strategy the most important findings to consider in the adjacent process steps were investigated and presented. These findings are presented to enable a broad understanding of the requirements throughout the measurement process at Saab Aeronautics. The knowledge obtained in the literature review, case study and the measurement experiment was included in the measurement strategy framework which was the delivery of the thesis work.

Ces travaux de recherche sont réalisés dans le cadre d'une thèse CIFRE en collaboration entre Safran Aircraft Engines et le LURPA de l'ENS Paris-Saclay. Safran Aircraft Engines conçoit et réalise des moteurs pour avions civils et militaires. Afin de répondre au fort développement industriel mondial, Safran Aircraft Engines est constamment en recherche d'optimisation des définitions de ses pièces tout en respectant les cadences de fabrication. Les normes de tolérancement évoluent et les moyens de contrôle s'améliorent. La problématique des travaux est de maîtriser la qualité géométrique des pièces de formes complexes dans le contexte de la continuité numérique.Une méthode permet d'établir les liens entre les fonctions et les spécifications géométriques. De plus, la traçabilité des caractéristiques dimensionnelles et géométriques est établie lors de la phase de tolérancement du produit.Une extension de la méthode CLIC à des composants qui se déforme localement est proposée. Cette extension s'intègre dans la méthode de tolérancement qui établit les liens entre les fonctions et les spécifications.Une méthode originale de génération de descripteurs de forme sur des surfaces permettant la séparation des écarts de taille, de forme, de position et d'orientation est présentée afin de réaliser une Décomposition Modale Discrète. De plus, l'analyse des résultats de la Décomposition Modale Discrète appliquée sur trente surfaces complexes permet de connaître la répétabilité du processus de fabrication. / This PhD work is being carried out as part of a CIFRE PhD thesis in collaboration between Safran Aircraft Engines and the LURPA of the ENS Paris-Saclay. Safran Aircraft Engines designs and manufactures engines for civil and military aircraft. In order to meet the high level of global industrial development, Safran Aircraft Engines is constantly seeking to optimize the definitions of its parts while respecting production rate. Tolerancing standards are changing and control methods are improving. The challenge of this work is to control the geometric quality of complex shaped parts in the context of digital continuity.A method is used to establish the links between functions and geometric specifications. In addition, the traceability of dimensional and geometric characteristics is established during the product tolerancing phase.An extension of the CLIC method to components that deform locally is proposed. This extension is integrated into the tolerance method used to establish the links between functions and specifications.An innovative method of generating shape descriptors on surfaces allowing the separation of size, of shape, of position, and of orientation deviations is described in order to achieve a Discrete Modal Decomposition. In addition, the analysis of the results of the Discrete Modal Decomposition applied to thirty complex surfaces allows us to know the repeatability of the manufacturing process.

Le dessin de définition fonctionnelle décrit les exigences géométriques à respecter pour une pièce afin de garantir le bon fonctionnement d'un mécanisme. Le gammiste détermine une gamme de fabrication permettant de réaliser la pièce en respectant les spécifications fonctionnelles. Il doit déterminer les spécifications de fabrication pour chaque phase, qui permettront de respecter les spécifications fonctionnelles. La méthode présentée dans cette thèse a pour but de générer automatiquement ces spécifications de fabrication pour une gamme donnée. La méthode de transfert s'appuie sur l'analyse des mobilités des surfaces tolérancées et des surfaces de référence. Les mobilités sont modélisées par des indications vectorielles, exprimées dans un repère local pour chaque élément. Quatre opérateurs sont proposés pour manipuler ces mobilités. La méthode est ascendante. Une spécification de fabrication positionne ou oriente la surface réalisée en dernier par rapport au système de références de la phase. La méthode des droites d'analyse donne l'influence de sa tolérance sur l'exigence. Le transfert se poursuit jusqu'à ce que toutes les surfaces soient actives dans la même phase. Un démonstrateur de transfert a été réalisé avec Excel pour une pièce et une gamme décrites dans CATIA. / Functional drawing describes geometrical requirements to respect for a part in order to ensure the good functioning of a mechanism. Process engineer determines a plan process for the realization of the part in accordance with the functional requirements. He must determine manufacturing requirements for each phase, which allow to respect functional requirements. The method introduced in this PhD thesis aims at automatically generating these manufacturing requirements for a given plan process. The transfer method is based on the analyse of toleranced surfaces and datum surfaces mobilities. Mobilities are modeled by vectorial representations, expressed in a local frame for each element. Four operators are put forward to manipulate these mobilities. The method is ascendant. A manufacturing requirement locates or orientes the last manufactured surface regarding the datum target frame of the phase. The analysis line method gives the impact of its tolerance on the functional requirement. The transfert follows through until all surfaces are active in the same phase. A transfer software has been developped with Excel for a part and a plan process described in CATIA.

L’étude est dédiée à la conception d’un système expert d’aide au tolérancement assurant la gestion multi-utilisateurs, multi-produits et temporelle des tolérances et des dimensions nominales de pièces pour des mécanismes complexes. Ce travail rentre dans le projet ”usine numérique” de grandes entreprises et constitue un maillon manquant de cette chaîne numérique. Les travaux de thèse contribuent à la méthode CLIC (Cotation en Localisation avec Influence des Contacts) sur des liaisons complexes en proposant la spécification adéquate et le calcul de chaîne de cotes tridimensionnelle au pire des cas, dans un contexte de pièces non déformables. L’étude a abouti à onze nouvelles propositions de spécification, qui ne sont pas disponibles actuellement dans les normes utilisées par les industriels. La généralisation des conditions de respect d’un état virtuel aux liaisons complexes est un point fort. Un nouveau critère d’association géométrique a été proposé pour des surfaces constituant une liaison hybride ayant un double comportement, à la fois surfacique et avec jeu. Un algorithme de recherche des points de contact a été élaboré afin d’obtenir la résultante tridimensionnelle en fonction des tolérances et des paramètres nominaux des pièces, en vue d’effectuer la synthèse des tolérances. D’autres algorithmes utilisent une formulation analytique pour d´déterminer la situation au pire des cas. Ces algorithmes sont le fruit de la résolution du problème par la méthode des droites d’analyses. / This study is dedicated to the design of a computer aided tolerancing system guarantying the multi user, multi products and temporal control of nominal dimensions and tolerances for complex mechanisms. This work is part of the industrial “numerical plant” project and represents a missing link of this numerical chain. Present works contribute to the CLIC method (french acronym for ! Cotation en Localisation avec Influence des Contacts”) applied to complex junctions by proposing the appropriate specification and the three dimensional tolerance chain calculation at worst case, in the framework of non-deformable parts. The study leads to eleven new specification proposals, which are not currently available in standards used by industries. The extension of material conditions to complex surfaces is a key point. A new association criterion has been proposed to specify hybrid prismatic surfaces, with a surface contact zone and a zone with clearance. A contact points search algorithm has been elaborated to obtain the three dimensional tolerance chain resultant, as a function of parts’ tolerances and nominal dimensions, in order to perform the tolerance synthesis. Others algorithms use an analytic formulation to determine the worst case configuration. Those algorithms are the problem solve by analysis line method outcomes.

Hydrodynamic plain bearings are important machine elements. They are used in many areas of mechanical engineering, such as turbomachines, crankshaft bearings and gears. The geometry of the lubrication gap elemen-tarily influences the function as shown in several examples of abrupt failures in turbochargers. Due to toleranc-ing, the manufacturing requirements are very high. However, the question remains how large these deviations can be. ISO 12129-2 gives recommendations on form deviations depending on the minimum of plain bear-ing clearance (hmin). Nevertheless, there is no direct reference on the size or the strain on bearing. In DIN 31652-3, the tolerance of the bearing clearance is divided into -1/3 and +2/3 of itself. However, this tolerance merely has an indirect correlation with the size of the bearing and strain on the bearing. If these tolerance recommenda-tions are applied, the function of the plain bearing will not be completely fulfilled. Nonetheless, tolerances pro-vided by standards are used in geometric specifications. If these tolerances are used for in-company manufacturing, this is unproblematic in most cases. But if technical drawings are sent to an external manufacturer, toler-ance limits may be exhausted and the function cannot be ensured. Within the framework of the research project presented here, a tolerance evaluation matrix has been developed. For this, the existing standards were analyzed. In this case, the ignorance of size (diameter and width) and signif-icant operating properties (speed, load, temperature, etc.) are insufficient. The project examined and simulated various possible deviations. Selected form deviations were manufactured. The validation of the simulation results were carried out on 30mm.

La cotation fonctionnelle doit garantir la montabilité et le bon fonctionnement d'un mécanisme en imposant les spécifications fonctionnelles à respecter sur les pièces. Ces spécifications sont exprimées avec les normes ISO de cotation et doivent être vérifiées à 20°C. Pour les mécanismes soumis à de fortes températures, il est nécessaire de cumuler l'influence des tolérances et des dilatations aux différents régimes thermiques. Après avoir formulé des hypothèses de comportement dans les liaisons avec contact ou avec jeux affectés par les déformations thermiques et l'influence des incertitudes sur les températures, la méthodologie proposée permet de séparer le calcul thermique et le tolérancement. Le bureau de calcul thermique détermine les champs de température et les déplacements des mailles par la méthode des éléments finis à partir des modèles nominaux des pièces. Le cumul des tolérances et des dilatations est basé sur la méthode des droites d'analyse. Pour chaque exigence, la surface terminale est discrétisée en différents points d'analyse. Dans chaque jonction, les relations de transfert déterminent les points de contact et l'influence des dilatations et des écarts thermiques en ces points sur l'exigence. Une application à un mécanisme industriel démontre l'intérêt d'optimiser les dimensions nominales des modèles afin de maximiser les tolérances tout en respectant l'ensemble des exigences. / Functional dimensioning should guarantee assembly feasibility and proper functioning of a mechanism giving functional specifications on parts to be met. Those specifications are defined with ISO standard and may be considered at 20°C. For high heated mechanisms, impacts of tolerances and thermal expansion for all thermal stages have to be combined. After giving behavior assumption into links with clearance or not while considering thermal expansion and uncertainty of temperature, the proposed method makes it possible to separate thermal calculations and tolerancing. Thermal calculations office determines temperature field and displacements from nominal parts by finite elements method. Integration of tolerancing and thermal expansion is based on analysis direction method. For each requirement, final surface is discretized in various points. In every link, transfer relations determine contact points and impact of thermal expansion on these analysis points on the requirement. A study case shows the interest of nominal dimension optimization in order to maximize tolerances while respecting all mechanism requirements.

Ces travaux proposent une méthode d’assistance à la sélection des techniques d’assemblage et à l’allocation de tolérances sur les écarts géométriques des composants dans le cadre de l’assemblage de structures aéronautiques composites. Cette méthode consiste à formuler et à résoudre un problème d’optimisation multiobjectif afin de minimiser un indicateur de cout et un indicateur de non-conformité des structures assemblées. L’indicateur de coût proposé prend en compte le coût associé à l’allocation des tolérances géométriques ainsi que le coût associé aux opérations d’assemblage. Les indicateurs de non-conformités proposés sont évalués à partir des probabilités de non-respect des exigences géométriques sur les structures assemblées. Ces probabilités sont évaluées en propageant les tolérances géométriques allouées et les dispersions des techniques sélectionnées au travers d’une fonction appelée Relation de Comportement de l’assemblage (RdCa). Dans le cas de l’assemblage de structures aéronautiques composites, des exigences peuvent porter sur les jeux aux interfaces entre composants. Dans ce cas, la RdCa est évaluée par la résolution d’un problème mécanique quasi-statique non-linéaire par la méthode des éléments finis. Un méta-modèle de la RdCa est construit afin de la rendre compatible avec les méthodes probabilistes utilisées pour évaluer la non-conformité. Finalement, la définition d’un modèle structuro-fonctionnel du produit et d’une bibliothèque de techniques d’assemblage permet de construire un avant-projet de gamme d’assemblage paramétrique. Ce paramétrage permet de formuler le problème d’optimisation multiobjectif résolu à l’aide d’un algorithme génétique. / The purpose of this PhD is to develop a method to assist assembly technique selection and component geometrical tolerance allocation in the context of composite aeronautical structure assembly. The proposed method consists in formulating and solving a multiobjective optimisation problem aiming at minimising a cost indicator and a non-conformity indicator. The cost indicator account for both the cost involved by the geometrical tolerance allocation and the cost associated with the assembly operations. The proposed non-conformity indicators are evaluated according to the probabilities of non-satisfied requirements on the assembled structures. These probabilities are computed thanks to Geometrical Variation Propagation Relation (GVPR) that expresses the characteristics of the product as a function of the geometrical deviation of the components and the dispersion occurring during the assembly. In the case of composite aeronautical structures, the product characteristics can be gaps at interfaces between components. In this case, the GVPR is evaluated by solving a non-linear quasi-static mechanical problem by the mean of the finite element method. A metamodel of the GVPR is built in order to reduce the computing time and to make it compatible with the probabilistic methods used to evaluate the non-conformity. Finally, the use of a structure-functional model of the product together with an assembly technique library allows defining a parametric assembly process plan. The multiobjective optimisation problem built thanks to set of parameters defining the assembly process plan is solved using a genetic algorithm.

Comme son nom l'indique, le tolérancement flexible a pour objectif de tenir compte de la souplesse des pièces dans un processus de tolérancement. Il permet d'évaluer les défauts géométriques admissibles par des critères aussi bien géométriques que mécaniques. Ces travaux abordent en premier lieu l'élaboration de modèles adéquats permettant de prédire le comportement mécanique d'un assemblage de grandes pièces relativement souples lorsqu'elles sont sujettes à des défauts géométriques issues du procédé de fabrication. Une méthode a alors été proposée pour y implémenter des variations géométriques aléatoires réalistes vis-à-vis de ces hypothétiques défauts géométriques. Pour simuler les opérations d'assemblage, le phénomène de contact unilatéral et les variations de rigidité dues aux variabilités géométriques ont été prises en compte. En fonction de ces hypothèses, les stratégies d'analyse de tolérance avec Monte Carlo ou la méthode des coefficients d'influence ont été comparées afin de choisir celle minimisant les coûts de calcul tout en conservant la justesse des résultats. Finalement, ces travaux s'achèvent sur une étude de cas industriel : un treillis supportant des équipements sous le plancher du fuselage d'un Airbus A350. / As indicated by its name, the purpose of flexible tolerancing is to take into account the flexibility of the parts in a tolerancing process. It allows to evaluate the permissibles geometrical defects by both geometrical and mechanical criteria. These works deal first with the elaboration of a model able to predict the mechanical behaviour of an assembly of larges and flexibles parts which are suject to geometrical defects induced by their manufacturing process. A method has thus been suggested in order to implement geometrical variations which are realistic according to these hypothetical geometrical defects. To simulate the assembling process, the unilateral contact phenomenon and the stiffness variations induced by the geometrical variability have been taken into account. Depending on these assumptions, some strategies of tolerance analysis with Monte Carlo or the method of influence coefficients have been compared in order to choose the one minimizing the computational costs while maintaining the accuracy of the results. Finally, these works are completed with an industrial study case: a truss supporting equipments and hanging under the fuselage floor of an Airbus A350.