Simulation Ansys pour le développement d'une grue chez Liebherr
La première partie de la série de trois articles sur la simulation avec Ansys et CADFEM chez Liebherr-Werk traite des aspects généraux. Elle donne un aperçu de la manière dont les simulations sont utilisées dans le développement des grues géantes, des résultats obtenus par les ingénieurs de Liebherr et des applications utilisées. Les parties 2 et 3 examinent de plus près la mécanique des structures et la CFD.
Pionnier et leader du marché mondial
Quiconque se rend à Ehingen, sur le Danube, peut les voir de loin s'élever dans le ciel : les mâts et les flèches des grues mobiles Liebherr. Ils ressemblent à de gigantesques cous de girafe dans un zoo technologique. Depuis sa création en 1969, l'entreprise n'a cessé de se développer et est aujourd'hui le leader mondial du marché des grues mobiles et des grues sur chenilles. L'un des principaux facteurs de réussite est l'utilisation de la technologie de simulation Ansys, associée aux conseils de CADFEM.
La fascination pour la technologie vous saisit immédiatement à la vue d'une grue. La taille et l'effet des forces exercées lors du déplacement d'énormes charges vous captivent inévitablement. Depuis la première utilisation de ces ingénieux appareils de levage dans la Grèce antique, il est impossible d'imaginer un grand projet de construction sans grue. Depuis lors, des personnes ingénieuses ont continué à perfectionner la conception des grues.
L'idée de Hans Liebherr : La grue à tour mobile
La grue à tour typique, que la plupart des gens associent aujourd'hui au mot "grue", a été inventée par Hans Liebherr en 1949 sous la forme d'une "grue à tour mobile". Avec cette innovation, il a jeté les bases du succès de son groupe international d'entreprises.
Photo historique de la première grue à tour mobile.
La R&D en ligne de mire
Liebherr-Werk Ehingen (LWE en abrégé) est spécialisé dans les grues mobiles. Hans Liebherr a personnellement fondé le site en 1969. Aujourd'hui encore, toutes les compétences connexes y sont réunies. Deux principaux types de grues mobiles sont développés et fabriqués à LWE : les "grues tout-terrain" et les "grues sur chenilles à flèche en treillis".
- Les grues tout-terrain ont des pneus et sont généralement autorisées à circuler sur la voie publique.
- Dans le cas d'une grue sur chenilles à flèche en treillis, les ensembles de la grue sont d'abord assemblés sur le site de construction avant que ces géantes ne se déplacent au moyen de chenilles.
Les grues mobiles sur chenilles sont parmi les plus vendues du groupe. Plus de 3 500 employés de la R&D, de la production, des ventes et services internationaux se concentrent sur les besoins des clients. Les grues à flèche télescopique et à treillis ultramodernes sont montées sur des châssis mobiles et à chenilles. Depuis sa création, Liebherr attache une grande importance à un niveau technologique élevé associé à une qualité optimale. C'est pourquoi la recherche et le développement font l'objet d'importants investissements.
Projets exceptionnels
Les connaissances approfondies de LWE en matière de structures de support mobiles sont reconnues dans le monde professionnel international, ce qui explique la réalisation répétée de projets spéciaux.
- Par exemple, pour la construction des ponts suspendus de Kurushima au Japon, LWE a conçu les treuils diesel-hydrauliques à usage intensif pour le levage des segments de pont de 30 m de large et de 540 t.
- Un autre projet inhabituel a été la réalisation de 250 écrans à grande échelle pour la piazza de la mosquée du Prophète à Médine, en Arabie saoudite. Ils forment ainsi le plus grand toit rétractable du monde.
- Les grues de LWE sont également très demandées pour le montage d'éoliennes gigantesques, comme celles du parc éolien de Holzhausen, près de Paderborn. La nouvelle LR 1700-1.0 a érigé la tour en béton préfabriquée de 96 mètres de haut de la centrale, dont la hauteur de moyeu est de 164 mètres. Les composants les plus lourds étaient le carter de la machine et la chaîne cinématique, avec des charges brutes respectives de 72 et 75 tonnes.
La simulation est essentielle
L'utilisation de logiciels de simulation est essentielle pour le développement des spécificités attendues. Les prototypes et les installations de laboratoire prennent beaucoup trop de temps et sont trop coûteux. LWE utilise la puissance de calcul disponible aujourd'hui et les derniers logiciels de simulation d'Ansys pour la transformation numérique des essais.
LWE s'intéresse principalement à deux grands domaines de simulation : la modélisation de la mécanique des structures (FEM) et la mécanique des fluides (CFD). En général, l'objectif du développement d'une grue mobile est de combiner le poids de transport le plus faible possible avec une capacité de charge élevée. Cela vous oblige inévitablement à utiliser une conception légère, car un rapport charge utile/poids mort élevé est le meilleur argument de vente. Pour les moteurs, les cabines de conduite et les systèmes hydrauliques, les données de débit sont importantes pour des performances et un confort optimaux.
Exemple de poulie de câble
Un bon exemple de l'avantage de la simulation dans le développement est la poulie de câble.
- En cours de fonctionnement, une poulie est soumise à des charges élevées liées à un grand nombre de changements de charge. Il faut s'assurer qu'elle y résiste.
- Comme la poulie est soudée, un grand nombre d'essais complexes et coûteux seraient nécessaires pour déterminer la variante optimale.
Niels Finkbeiner, ingénieur calcul dans le domaine de l'ingénierie structurelle au LWE, a vérifié la résistance à la fatigue conformément à la directive FKM à l'aide d'une simulation par éléments finis dans Ansys Workbench. Les points critiques ont été rapidement déterminés, malgré des processus complexes. Les résultats ont montré que des forces de cisaillement sollicitaient l'entaille. Il a suffi de demander au bureau d'études de modifier l'angle du flan circulaire et d'ajuster l'épaisseur de la tôle, avant même un prototype physique.
CADFEM ouvre des possibilités de simulation
La variété des produits d'Ansys et le large éventail d'applications nécessitent un partenaire expérimenté. LWE fait confiance à CADFEM depuis de nombreuses années. Qu'il s'agisse de conseils en matière d'applications, de recherche de solutions ou de formation, les spécialistes de Grafing, près de Munich, sont le premier choix.
Joachim Henkel dirige le département d'ingénierie structurelle et, outre la livraison de logiciels, apprécie l'échange professionnel.
"Si nous sommes bloqués par un calcul, le prochain pilier important de notre coopération entre en jeu : le soutien. Cela nécessite l’assistance rapide d’un expert. Nous recevons de notre partenaire CADFEM. Bien entendu, nos collaborateurs doivent être formés à l’utilisation du logiciel afin de pouvoir travailler aussi efficacement que possible. C'est pourquoi CADFEM nous propose un abonnement Liebherr Learning pour les formations. Liebherr a une vision à long terme, et l'orientation stratégique et la cohérence de nos partenaires sont particulièrement importantes pour nous. Nous collaborons avec Ansys et CADFEM depuis plus de 35 ans. Pour nous, Ansys est la meilleure solution dans sa catégorie de logiciels. Elle l'a prouvé à maintes reprises au cours de toutes ces années."
Une infrastructure efficace est nécessaire
Les calculs plus importants, qui sont plus fréquents au LWE, nécessitent une puissance de calcul et une expertise en simulation appropriées. Thomas Lerner, ingénieur principal en simulation FE-Infrastructure, décrit cette demande :
"Le niveau de détail croissant des modèles actuels nécessite un environnement de simulation performant doté d'une infrastructure puissante. La parallélisation des processus (par exemple, le maillage ou la modélisation) entraîne un gain de temps considérable. Les ingénieurs simulation peuvent calculer davantage de variantes de modèles dans le même laps de temps. C'est pourquoi le LWE a installé et mis en service très tôt un cluster de calcul puissant et évolutif sur une base de sécurité intégrée.
Pour les calculs de mécanique structurelle, 144 cœurs sont disponibles pour un maximum de 12 calculs parallèles. Le déplacement des stations de travail locales vers le centre de données a encore accéléré le processus. Par exemple, les temps de transfert des modèles de calcul entre la station de travail et le cluster de calcul ont été réduits de 30 à 50 %", explique Thomas Lerner.
Croissance préprogrammée
Les progrès technologiques en matière de fabrication et de logistique permettent de préfabriquer des pièces de machines toujours plus grands et plus lourds dans les bâtiments d'usine. Ensuite, le transport "en une seule pièce" vers le lieu d'utilisation est agendé. Tout le monde connaît maintenant les transports lourds impliquant des ponts entiers ou des pales complètes d'éoliennes. L'usine Liebherr d'Ehingen répond à cette évolution grâce au logiciel de simulation Ansys, qui a prouvé son efficacité.
C'est le seul moyen de développer économiquement des grues toujours plus puissantes, capables de soulever les énormes pièces à assembler sur site.
Lisez dansla deuxième partie comment LWE parvient à surmonter les contradictions apparentes avec les calculs structurels-mécaniques. Dans la troisième et dernière partie de notre série LWE, découvrez comment la simulation CFD réduit considérablement le temps de mise sur le marché.
Dans la troisième partie de notre série LWE, découvrez où et comment les simulations de flux réduisent considérablement les délais de mise sur le marché.
Liebherr Werk Ehingen GmbH
www.liebherr.com
Auteur: Thomas Löffler
Images: © Liebherr
Publié : Juin 2022