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Réduire le poids et les coûts de fabrication grâce aux simulations

Optimisation d'un support de batterie​

En seulement quatre mois, l'étudiante en master Laura Hinsching s'est plongée dans la simulation FEM, durant le semestre en ligne imposé par la crise du Corona Virus. C'est ainsi qu'avec beaucoup de motivation personnelle, elle a pu obtenir en un temps très court, un impressionnant résultat pour le développement d'un dispositif de ramassage pour les batteries.​

Variantes de matériaux et de géométrie

En collaboration avec le professeur de génie mécanique Folker Flüggen et le responsable du séminaire Frank Einicke, Laura Hinsching, de la Haute école spécialisée de Nordhausen, a élaboré une étude conceptuelle ambitieuse. L'objectif de l'étude était d'optimiser le poids et le coût du développement d'un dispositif de prise en charge d'un pack de batteries. Pour cela, Laura Hinsching a utilisé le logiciel de simulation Ansys Workbench pour réaliser l'optimisation souhaitée en calculant des variantes de matériaux et de géométries.

L'étude du concept a été initiée par une entreprise de taille moyenne de Thuringe, impliquée dans le développement de batteries lithium-ion pour le secteur maritime.

Essai de propagation pour l'homologation

Comme scénario de référence, la condition de fonctionnement souhaitée a d'abord été évaluée. L'essai dit de propagation et l'interaction des cellules lithium-ion avec le support de cellule ont été cartographiés comme un scénario thermique le plus défavorable avec Ansys Workbench. Ainsi, un couplage de la simulation thermique transitoire et de la simulation mécanique structurelle a été effectué. Comme troisième calcul, une analyse modale précontrainte et une analyse structurelle-mécanique dynamique ont été choisies pour le cas de charge dynamique dû aux vibrations des packs de batteries pendant le fonctionnement en haute mer. Une validation des résultats a pu être effectuée par des mesures ou par comparaison avec des mesures déjà existantes sur l'assemblage réel.

Le calcul a d'abord été effectué avec l'état réel du support de cellule, puis avec différents matériaux alternatifs. Après qu'un matériau approprié ait pu être sélectionné en fonction des résultats de la simulation, la géométrie a été examinée et optimisée en faisant varier ses paramètres selon des scénarios de test exigés.

L'emballement thermique comme scénario catastrophe

Une exigence critique pour les systèmes de batteries marines est la capacité de charge thermique des composants. Dans le test dit de propagation, on teste le pire cas de surcharge avec emballement thermique ultérieur d'une cellule du système. Normalement, la probabilité d'un tel événement est très faible en raison du logiciel de gestion de l'énergie installé et de la sécurité élevée des cellules. Néanmoins, ce scénario doit être sauvegardé dans le cadre de la procédure d'approbation. "Dans ce cas, des pics de charge thermique de plus de 200°C peuvent se produire localement au niveau des supports de cellules considérés", rapporte Laura Hinsching. "Par conséquent, la sélection des matériaux est limitée. En même temps, il fallait s'assurer que le support de cellule garantisse la fixation radiale et axiale des cellules pendant tout le processus de surcharge. C'est le seul moyen d'empêcher la propagation et donc l'emballement thermique sous les cellules."

En se fiant aux résultats de la simulation, un concept de production des composants a été élaboré, garantissant des réductions de poids significatives réalisables avec un taux d'utilisation des matériaux optimal. Une grande partie de la réduction du poids et des coûts peut être attribuée au matériau polymère choisi. Ce matériau s'est avéré convaincant en raison de son faible prix ainsi que des faibles coûts de production pour la fabrication des composants (moulage par injection) et le post-traitement. Dans le même temps, il a été possible de garantir une résistance mécanique et une résistance thermique suffisantes pour l’utilisation souhaitée.

> 40%
Réduction de coûts
par matériau polymère
> 60%
Réduction de poids
avec une grande résistance

Finaliser le produit pour la production en série

L'entreprise est extrêmement positive quant au résultat de l'étude. "Avec les résultats des études, nous avons pu faire un bond en avant dans le développement ultérieur de notre produit", explique le responsable du développement des batteries.

"Le projet a été réalisé en moins de quatre mois grâce à la simulation et aux efforts dévoués des personnes impliquées dans ce projet. Aussi, nous pouvons maintenant démarrer la fabrication d'un prototype afin de finaliser le produit pour la production en série."

Former des personnes capables de résoudre les problèmes de demain, tel est l'objectif de l'université des sciences appliquées de Nordhausen. Même le savant grec Aristophane a déclaré en 400 avant J.-C. "Eduquer les gens, ce n'est pas remplir un récipient, mais allumer un feu". Les responsables de la Fachhochschule Nordhausen sont très fiers que l'enseignement en ligne et le transfert de connaissances axé sur l'application parviennent également à libérer de telles forces motrices. Ils sont également optimistes quant à l'avenir de la formation d'ingénieur, car Laura Hinsching travaille désormais avec succès en tant qu'ingénieur d'études pour son "client".

La simulation FEM dans l'enseignement - un succès même à l'ère du Corona

Depuis de nombreuses années, la plateforme de simulation Ansys Workbench occupe une place de choix dans la formation des futurs ingénieurs de l'université des sciences appliquées de Nordhausen. En avril 2020, elle a été la première université de Thuringe à convertir entièrement son programme d'études à l'enseignement en ligne dans le laboratoire FEM, en l'espace de quatre semaines seulement.

Depuis lors, les étudiants des formations FEM utilisent les possibilités d'Ansys Student pour les travaux pratiques. La plateforme en ligne permet d'échanger des idées avec les enseignants et les autres étudiants, de discuter et de travailler ensemble sur des projets. En commençant par les bases de la statique, le contenu de la formation comprend la mécanique structurelle non linéaire, les champs de température, l'optimisation de la topologie, l'exploration de la conception et l'interaction fluide-structure. Grâce aux possibilités d'essai des matériaux dans le laboratoire de l'université, les modèles de matériaux pour la simulation peuvent être dérivés et validés directement à partir de valeurs mesurées expérimentalement. Cela est rendu possible par la proximité de l'université. En outre, l'intégration de la nouvelle génération de logiciels Ansys Discovery permettra d'élargir encore l'approche du développement de produits par simulation (Simulation Driven Design) basée sur le comportement physique.

Une grande partie des étudiants n'avait jamais eu de contact avec l'outil de simulation avant le premier "Corona Semester", en avril 2020. Et puis apprendre la FEM "de A à Z", en distancie,l en seulement quatre mois, rend le résultat du mémoire de fin d'études de Laura Hinsching encore plus impressionnant. "Ce qui a pu être mis en œuvre ici, notamment grâce à l'énorme motivation de l'étudiante Laura Hinsching, est très impressionnant", souligne fièrement le responsable de la formation, Frank Einicke, ingénieur diplômé (FH).

Hochschule Nordhausen
Dipl.-Ing. (FH) Frank Einicke
frank.einicke@hs-nordhausen.de
www.hs-nordhausen.de

 

Auteur: Gerhard Friederici (CADFEM GmbH)
Images: Hochschule Nordhausen

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