Partie A - Dimensionnement et simulation RDM de l… · Bac STI2D Ingénierie, Innovation et Développement Durable Métropole remplacement - ITEC 2025

Mise en situation

En début de traitement, les eaux sales passent des dégrilleurs qui servent à retirer une partie des déchets solides. Dans la station de la Feyssine, il y a trois dégrilleurs pour refus grossiers (déchets supérieurs à 5 cm) installés en parallèle qui font un premier filtrage. Ils sont suivis de trois dégrilleurs pour refus fins (déchets supérieurs à 1 cm) également en parallèle et qui assurent un nettoyage plus complet.

L'étude se limitera à un seul dégrilleur pour refus grossiers.

Fonctionnement d'un dégrilleur

L'eau circule dans un canal compris entre le radier (fond du canal) et le plan de pose (niveau du sol) et passe dans une grille comme indiqué ci-dessous.

Les plus gros déchets sont bloqués et la boue s'accumule contre les barreaux de la grille. Cela ralentit le passage de l'eau et son niveau en amont de la grille augmente. Le cycle de dégrillage démarre quand le niveau d'eau en amont atteint un seuil prédéterminé.

Une poche de raclage équipée d'un râteau descend jusqu'au radier, puis pivote pour que les dents du râteau s'insèrent entre les barreaux de la grille et enfin remonte en entraînant les déchets qui sont poussés par une raclette dans un dévidoir pour les évacuer.

Dans tout le sujet, $g = 9{,}81\ \mathrm{m\cdot s^{-2}}$.

Partie A: comment minimiser l'impact écologique du matériau choisi ?

L'eau chargée en boues qui circule dans le canal n'est pas neutre chimiquement et des vapeurs corrosives peuvent se dégager.

La pièce centrale du dégrilleur est la poche de raclage (6) représentée ci-contre. Un logiciel d'assistance au choix de matériaux est utilisé pour déterminer le matériau le plus pertinent pour cette pièce.

Pour simplifier, seul l'impact écologique lié au $\mathrm{CO_2}$ sera étudié.

Un logiciel propose trois matériaux correspondants aux critères de choix. Une analyse du cycle de vie (ACV) est réalisée pour chacun d'entre eux.

Poche de raclage (6)

Données pour l'ACV de la poche de raclage

Le levier principal pour diminuer les impacts écologiques consiste à utiliser moins de matière. Il est possible ici de modifier l'épaisseur de la poche de raclage. Des simulations numériques de résistance des matériaux (RDM) sont faites pour 4 valeurs d'épaisseurs.

La poche de raclage initiale pèse $150\ \mathrm{kg}$ et la nouvelle épaisseur permet de gagner $30\ \mathrm{kg}$ sur cette masse.

Pour les ACV faites sur le dégrilleur:

Les valeurs des étapes « Matériau », « Fabrication », « Transport » et « Élimination » sont directement proportionnelles à la masse des pièces.

L'étape « Utilisation » ne dépend pas de la masse car elle correspond au fonctionnement du système (motoréducteur, pompe, automate,...).

La suite de l'étude ne prend pas en compte le recyclage. Dans ces conditions, l'impact total de la pièce initiale est $1400\ \mathrm{kg}$ de $\mathrm{CO_2}$.

DTS1: fonctionnement d'un dégrilleur

Cycle de dégrillage

Position de départ (représentée sur la figure ci-dessus): La poche de raclage (6) est en position haute et en position fermée.

Étape 1: Elle bascule en position ouverte. Cette action est pilotée par le vérin (8) qui met en mouvement le câble central (12).

Étape 2: Elle descend en position basse. Cette action est pilotée par le motoréducteur (3) qui met en mouvement les câbles centraux (12) et latéraux (13).

Étape 3: Elle bascule en position fermée.

Étape 4: Elle remonte en position haute et son mouvement entraîne la raclette (14) qui évacue les déchets dans le dévidoir (16).

Remarque: Pour faciliter la lecture de ce document, plusieurs éléments de carter et de châssis ne sont pas représentés.

Repère · Nom · Quantité

16 · Dévidoir · 1

15 · Butée raclette · 2

14 · Raclette · 1

13 · Câble latéral · 2

12 · Câble central · 1

11 · Rouleau central · 1

10 · Rouleau palonnier · 1

9 · Palonnier (Levier + Rattrapeur) · 1

8 · Vérin · 1

7 · Butée basse · 2

6 · Poche de raclage (Râteau) · 1

5 · Boggie · 2

4 · Treuil · 3

3 · Motoréducteur · 1

2 · Grille · 1

1 · Bâti (Châssis + Carters) · 1

DTS2: cahier des charges (Matériaux)

Diagramme des exigences - Choix des matériaux

DTS3: analyse du cycle de vie (ACV)

Empreinte $\mathrm{CO_2}$ (kg) pour différents matériaux

DTS4: paramètres de la simulation de RDM

La figure ci-contre détaille les conditions limites (mouvements et chargements) utilisées pour modéliser le calcul.

Le matériau choisi a pour limite élastique $R_e = 170\ \mathrm{MPa}$.

Le coefficient de sécurité retenu est $C_s = 2$.

Conditions limites et chargements sur la poche de raclage

DTS5: résultats de la simulation de RDM

Épaisseur = 5 mm (Contrainte de Von Mises en MPa)

Épaisseur = 7 mm (Contrainte de Von Mises en MPa)

Épaisseur = 9 mm (Contrainte de Von Mises en MPa)

Épaisseur = 12 mm (Contrainte de Von Mises en MPa)

Le levier principal pour diminuer les impacts écologiques consiste à utiliser moins de matière. Il est possible ici de modifier l'épaisseur de la poche de raclage. Des simulations numériques de résistance des matériaux (RDM) sont faites pour 4 valeurs d'épaisseurs (DTS5).

Question A.2 (DTS4, DTS5)

Déterminer quelle épaisseur choisir afin de minimiser les impacts écologiques tout en s'assurant que la pièce puisse supporter les contraintes mécaniques prévues.

Justifier la réponse (calcul de la résistance pratique à l'extension $R_{pe}$ et comparaison avec les contraintes maximales de Von Mises obtenues).