La modélisation multi-physique : un nouveau levier pour l optimisation des systèmes mécatroniques ferroviaires

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1 La modélisation multi-physique : un nouveau levier pour l optimisation des systèmes mécatroniques ferroviaires Rail Industry Meetings : Le 7 Mars 2012 Thomas Desbarats Ingénieur application LMS 1 - Rail Industry Meeting 2012

2 LMS: 30 ans de solutions innovantes Innover c est Anticiper les problèmes futurs de nos clients Les origines de LMS LMS 2010 LMS à l horizon 2020 Partenaire incontournable pour Le test et la simulation mécatronique Solutions hybrides TEST / Simulation collaborateurs TEST - NVH 200 collaborateurs Engineering the passion 2 - Rail Industry Meeting 2012

3 LMS : Du test à la simulation, de la 3D à la multi-physique Innover c est Anticiper les problèmes futurs de nos clients LMS à l horizon 2020 Partenaire privilégié dans le domaine du test et de la simulation mécatronique Les origines de LMS LMS Rail Industry Meeting 2012

4 Agenda Les contraintes intrinsèques du ferroviaire Evolution du marché du rail Le marché du ferroviaire : le cumul de toutes les exigences Les nécessaires évolutions de méthodes de conceptions Du composant au système dans son ensemble Interaction entre le contrôle commande et la physique Collaboration autour des modèles numériques Les outils du changement La simulation système La simulation multi-physique L approche multi-niveaux Convergence simulation physique / contrôle commande Contrainte Résistance : l objectivation des référentiels L approche Model Based System Engineering : échange et capitalisation du savoir Quelques exemples d applications 4 - Rail Industry Meeting 2012

5 Agenda Les contraintes intrinsèques du ferroviaire Evolution du marché du rail Le marché du ferroviaire : le cumul de toutes les exigences Les nécessaires évolutions de méthodes de conceptions Du composant au système dans son ensemble Interaction entre le contrôle commande et la physique Collaboration autour des modèles numériques Les outils du changement La simulation système La simulation multi-physique L approche multi-niveaux Convergence simulation physique / contrôle commande Contrainte Résistance : l objectivation des référentiels L approche Model Based System Engineering : échange et capitalisation du savoir Quelques exemples d applications 5 - Rail Industry Meeting 2012

6 Qu est-ce que la simulation système Simulation du système dans sa globalité Modélisation de phénomènes physiques complexes en renseignant quelques paramètres macroscopiques Approche Multi-domaines / multi-niveaux Le modèle est construit par assemblage de composants unitaires Les composants peuvent avoir une formulation analytique ou empirique (modèles tabulés) Simulations statique et dynamiques (études temporelles & fréquentielles) 6 - Rail Industry Meeting 2012

7 Agenda Les contraintes intrinsèques du ferroviaire Evolution du marché du rail Le marché du ferroviaire : le cumul de toutes les exigences Les nécessaires évolutions de méthodes de conceptions Du composant au système dans son ensemble Interaction entre le contrôle commande et la physique Collaboration autour des modèles numériques Les outils du changement La simulation système La simulation multi-physique L approche multi-niveaux Convergence simulation physique / contrôle commande Contrainte Résistance : l objectivation des référentiels L approche Model Based System Engineering : échange et capitalisation du savoir Quelques exemples d applications 7 - Rail Industry Meeting 2012

8 La simulation multi-physique Résolution simultanée et couplée de plusieurs domaine de la physique Possibilité de simuler un système dans sa globalité en une seule opération Permet d étendre l application des modèles au cours du développement : 1 ere passe : mécanique pure 2 eme passe: prise en compte de la thermique 3 eme passe : interaction thermique entre composants 4 eme passe :.. Exemple sur un Actuateur Electro-Hydrostatique : les physiques mises en œuvre Electrique Hydraulique Mécanique (Translation/Rotation) Thermique Contrôle 8 - Rail Industry Meeting 2012

9 La simulation multi-physique dans AMESim Comment faire de la simulation avec des physiques hétérogènes Idée Théorie Disposer de grandeurs physiques transversales aux différents domaines Conservation de l énergie Dualité Effort Flux Application Effort Flux = Puissance [ W = J / s] Energie t final = Puissance dt [ J t 0 = Nm] Comment simplement relier un moteur électrique à une pompe hydraulique Domaine Electricité Mécanique Hydraulique Effort Flux Tension [V] Courant [A] Couple [Nm] Vitesse [rad/s] Pression [N/m] Débits [m 3 /s] 9 - Rail Industry Meeting 2012

10 Agenda Les contraintes intrinsèques du ferroviaire Evolution du marché du rail Le marché du ferroviaire : le cumul de toutes les exigences Les nécessaires évolutions de méthodes de conceptions Du composant au système dans son ensemble Interaction entre le contrôle commande et la physique Collaboration autour des modèles numériques Les outils du changement La simulation système La simulation multi-physique L approche multi-niveaux Convergence simulation physique / contrôle commande Contrainte Résistance : l objectivation des référentiels L approche Model Based System Engineering : échange et capitalisation du savoir Quelques exemples d applications 10 - Rail Industry Meeting 2012

11 L approche multi-niveaux En fonction du stade du développement : le bon niveau de modélisation Objectif Type de modélisation Pré-dimensionnement Stratégies de contrôle Modèles tabulés Quasi-statiques Dimensionnement Contrôle Comportement aux faibles dynamiques Optimisation composant Hautes fréquences Analyse dynamique La modélisation physique : de la spécification fonctionnelle à la calibration Rail Industry Meeting 2012

12 L approche multi-niveaux dans AMESim Les différents niveau de modélisation dans AMESim exemple d un clapet anti-retour La modélisation identificative Construction de modèle à partir de données essais Mise en place de courbes de réponse spécifique La modélisation fonctionnelle Accès direct : un élément un composant Paramétrage à partir de valeur macroscopique La modélisation physique Décomposition fine à partir d éléments unitaires Paramétrage à partir des valeurs physiques La modélisation mathématique /développement spécifiques Extension du champ d application Développement C, Fortran, Modélica Rail Industry Meeting 2012

13 Agenda Les contraintes intrinsèques du ferroviaire Evolution du marché du rail Le marché du ferroviaire : le cumul de toutes les exigences Les nécessaires évolutions de méthodes de conceptions Du composant au système dans son ensemble Interaction entre le contrôle commande et la physique Collaboration autour des modèles numériques Les outils du changement La simulation système La simulation multi-physique L approche multi-niveaux Convergence simulation physique / contrôle commande Contrainte Résistance : l objectivation des référentiels L approche Model Based System Engineering : échange et capitalisation du savoir Quelques exemples d applications 13 - Rail Industry Meeting 2012

14 Convergence simulation physique / contrôle commande Différence de dynamique entre contrôle et physique Différence de méthodes de travail entre équipes de développement software et développement hardware Attentes différentes en termes de résultats: Comportement Physique d une architecture Implémentation de loi de contrôle : Code C, schéma VHDL Nécessité d outils dédiés pour un performance optimale Besoin de faire travailler les outils de concert Nécessité d ouverture des plateformes de simulation Mise en place de méthodes de cosimulation entre outils de calcul 14 - Rail Industry Meeting 2012

15 Ouverture de la plateforme AMESim : interaction contrôle Mécanique des Fluides Mécanique multi-corps LMS Virtual.Lab Motion Interfaces logicielles présentes dans AMESim Electromagnétisme Contrôle Optimisation OPTIMUS Interaction Physique Contrôle: Pilotage de servovalve AMESim MatLab Simulink AMESim 3 Possibilités de fonctionnement couplé Export de code dans Simulink Co-Simulation Import de code depuis Simulink 15 - Rail Industry Meeting 2012

16 Agenda Les contraintes intrinsèques du ferroviaire Evolution du marché du rail Le marché du ferroviaire : le cumul de toutes les exigences Les nécessaires évolutions de méthodes de conceptions Du composant au système dans son ensemble Interaction entre le contrôle commande et la physique Collaboration autour des modèles numériques Les outils du changement La simulation système La simulation multi-physique L approche multi-niveaux Convergence simulation physique / contrôle commande Contrainte Résistance : l objectivation des référentiels L approche Model Based System Engineering : échange et capitalisation du savoir Quelques exemples d applications 16 - Rail Industry Meeting 2012

17 L approche Model Based System Engineering : SysDM Construction de modèles Lisa, Bob, Anne Spécialistes du Freinage, de la climatisation, de la transmission SysDM 17 - Rail Industry Meeting 2012

18 L approche Model Based System Engineering : System Synthesis Création d une architecture de référence Tom Architecte système SysDM Mise en place de bibliothèques de super-composants Lisa, Bob, Anne Spécialistes du Freinage, de la climatisation, de la transmission Sam Chargé de la synthèse Environnement d exécution Powered by AMESim Powered by 18 - Rail Industry Meeting 2012

19 Agenda Les contraintes intrinsèques du ferroviaire Evolution du marché du rail Le marché du ferroviaire : le cumul de toutes les exigences Les nécessaires évolutions de méthodes de conceptions Du composant au système dans son ensemble Interaction entre le contrôle commande et la physique Collaboration autour des modèles numériques Les outils du changement La simulation système La simulation multi-physique L approche multi-niveaux Convergence simulation physique / contrôle commande Contrainte Résistance : l objectivation des référentiels L approche Model Based System Engineering : échange et capitalisation du savoir Quelques exemples d applications 19 - Rail Industry Meeting 2012

20 LMS Solutions pour l industrie ferroviaire Ouvrants Système de climatisation et de chauffage Plots amortisseurs Suspension Systèmes de freinage Chaine de traction Gestion énergétique 20 - Rail Industry Meeting 2012

21 Cas d étude : Performance et gestion énergétique Modélisation de motrice diesel dans son ensemble avec en particulier: La motorisation La transmission La chaine de traction Le pilotage Ces analyses ont en particulier permis : Le choix d architecture sur le système dans son ensemble L analyse des pertes énergétiques et l amélioration la consommation Des validations anticipées des systèmes (HIL et SIL) 21 - Rail Industry Meeting 2012

22 Cas d étude : Systèmes de freinage Capacité de modéliser tous les types de systèmes de freinage: Freinage pneumatique Freinage à dépression Freinage dynamique Freinage hydraulique Représentation possible de phénomènes complexes et fortement non linéaires, comme le freinage de rames complètes Lignes pneumatiques Pression Température Compresseur : interaction mécanique / pneumatique Évolution : Débit massique Pression Température 22 - Rail Industry Meeting 2012

23 Cas d étude : Voith conception de carter transmission 1/6 Cahier des charges du carter : Transmission interne par engrenages Rendement important Roulement à bille / à rouleaux Maitrise du niveau sonore Durée de vie supérieure à 30 ans Résistance à condition climatiques sévères Etanchéité Faible volume de production 23 - Rail Industry Meeting 2012

24 Cas d étude : Voith conception de carter transmission 2/6 Cahier des charges mécanique : Vitesse de rotation max : 5800 rpm Couple max : 3500 Nm Puissance max : 630 kw Rapport de réduction : 2.4 Poids : 465 kg Selon les règles de conception: volume d huile 50~230 l La conception Voith a permis d utiliser entre 8 et 11 l Le comportement thermique va dépendre : Du design carter : matériaux, roulements, engrenages Du profil de sollicitation Des conditions extérieures Peut on prendre en compte la sollicitation thermique dans le cycle de développement produit? 24 - Rail Industry Meeting 2012

25 Cas d étude : Voith conception de carter transmission 3/6 Engrenages Carter de transmission Echanges Puissance mécanique Roulements Pertes thermiques Echange thermique Huile de lub Radiatifs Echanges Convectifs Puissance mécanique Puissance mécanique Puissance mécanique Pertes mécanique Pertes Mécaniques 25 - Rail Industry Meeting 2012

26 Cas d étude : Voith conception de carter transmission 4/6 Modélisation thermique : Discrétisation du carter en masses thermique et échanges thermiques Prise en compte de l échange avec l huile Suivi de la répartition de l énergie (masse solide, huile) Premier résultats de calculs : Niveau de température similaires Ordre relatif des températures identique Pas de prise en compte des non-linéarités 26 - Rail Industry Meeting 2012

27 Cas d étude : Voith conception de carter transmission 5/6 Optimisation et recalage des simulations Simulation Recalage Thermique huile de roulements Conductivité thermique Convection naturelle Convection forcée Echanges radiatifs Méthode des moindres carrés pour réduire l écart essais calcul Essais Calcul Essais 27 - Rail Industry Meeting 2012

28 Cas d étude : Voith conception de carter transmission 6/6 Analyses de sensibilité construites par la simulation Paramètres influents sur la conception du carter: Choix du matériaux carter Surface du carter (notamment présence d ailettes) Niveau d huile, lubrification des roulements Rendement des roulements / des engrenages Mise en place d une stratégie de développement Compromis de développement objectivés Analyse de sensibilité du point de vue système Condition extérieures Vitesse d air Condition d utilisation Intégration du carter dans le système 28 - Rail Industry Meeting 2012

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