Simulation automatisée de compresseurs Scroll avec Ansys ACT

Réduire les temps de développement - grâce à une automatisation intelligente

L'efficacité dans le processus de développement est en partie lié au minimum de temps pris pour la conception. Il s'agit aussi d'exploiter toutes les marges de manœuvre existantes - connues et cachées jusqu'à présent. Ce que cela peut signifier concrètement pour l'ingénierie est illustré par un exemple dans lequel le prestataire de services technologiques OBRIST Engineering et le spécialiste de la simulation CADFEM ont uni leurs compétences en matière d'ingénierie digitale : Il en résulte un workflow d'ingénierie pour les compresseurs à spirales, où les pertes de temps et les compromis qu'il fallait accepter jusqu'à présent sont désormais du passé, grâce à l'automatisation.

OBRIST Engineering, une entreprise autrichienne qui emploie environ 40 personnes, se consacre depuis plus de 25 ans au développement de systèmes dans les domaines de la chaîne cinématique, de la gestion thermique et de la récupération de chaleur. L'un de ses points forts est constitué par les compresseurs Scroll, qui sont principalement utilisés dans les systèmes de climatisation des voitures. Leurs principaux avantages par rapport aux autres machines de compression sont leur rendement élevé et leur très faible niveau sonore. C'est pourquoi les compresseurs scroll conviennent particulièrement bien aux voitures électriques.

Le principe de base du compresseur Scroll repose sur deux éléments en spirale qui sont imbriqués l'un dans l'autre. L'un des éléments est positionné de manière rigide, l'autre se déplace selon des trajectoires excentriques, avec plusieurs points de contact entre les spirales. On obtient ainsi une machine à déplacement positif avec plusieurs chambres en rotation, dont la taille diminue à chaque tour. Le gaz de processus aspiré -, Réfrigérants chimiques (R1234yf) ou naturels (R744, R290) et autres gaz pour d'autres utilisations, - est comprimé à haute pression dans les spirales de 100 mbar à 100 bar selon l'application et expulsé au milieu des spirales. Les compresseurs Scroll d'OBRIST Engineering fonctionnent à une vitesse de 500 à 11.000 tours par minute, le volume à comprimer est de 4 à 200 centimètres cubes par tour.

Charges mécaniques et thermiques

Pour rester compétitifs, Lles compresseurs doivent être améliorés en permanence. L'optimisation du rendement et l'analyse des effets du processus de compression sur les différents composants passent notamment par l'observation précise de la charge mécanique. S'y ajoute la charge thermique due à l'auto-échauffement, la température du gaz ou la pression qui en résulte variant fortement aussi bien localement dans la chambre de compression que dans le temps en fonction de l'angle de rotation. Pour pouvoir optimiser la conception des composants, il est important de connaître à l'avance ces charges ainsi que les déformations et les tensions qui en résultent pour les composants impliqués dans le processus de compression, et ce avec une grande précision.

Les compresseurs Scroll sont notamment utilisés pour les systèmes de climatisation des voitures. — Les compresseurs Scroll sont notamment utilisés pour les systèmes de climatisation des voitures | ® OBRIST

ACT permet le transfert automatique du champ de température du calcul thermique au calcul structurel-mécanique. — ACT permet le transfert automatique du champ de température du calcul thermique au calcul structurel-mécanique | ® OBRIST

Toujours mieux grâce à la simulation automatisée

Les simulations déploient tout leur potentiel lorsque les mesures sur le banc d'essai sont particulièrement coûteuses, voire impossibles, ou lorsque les processus sont très complexes. Dans le cas présent, les deux cas de figure se sont présentés. On a d'abord essayé de mettre en place le processus de simulation à la main. Mais cette méthode n'offrait ni la qualité de résultat espérée ni la vitesse nécessaire au processus de développement rationalisé. C'est pourquoi CADFEM a été appelé à bord pour automatiser ensemble le processus de simulation pour les compresseurs Scroll.

ACT en action

Pour le processus de simulation automatisé, un environnement d'analyse thermique et mécanique a été créé sur la base d'un couplage unidirectionnel avec les conditions générales et les paramètres de solveur correspondants. Le problème thermique est résolu en premier lieu et le champ de température qui en résulte est automatiquement transmis en arrière-plan à l'analyse mécanique et mappé sur les composants. L'un des avantages de cette approche est la possibilité d'utiliser différentes méthodes de maillage en fonction de la physique. Ainsi, il est possible d'utiliser des éléments linéaires pour le calcul thermique et des éléments quadratiques pour le calcul mécanique.

Alejandro Catalá-Ruiz, ingénieur en calcul chez OBRIST Engineering, explique : "Pendant des années, nous n'avions pas de solution disponible pour analyser les contraintes et les déformations réelles sous des charges de pression et de température. En effet, le temps nécessaire pour définir manuellement les charges était trop élevé et, de plus, les résultats étaient trop imprécis. Grâce à la nouvelle solution d'automatisation avec ACT, il est possible de réaliser un couplage à 1 voieunidirectionnel sur la base d'un modèle de simulation relativement simple, qui permet de terminer un calcul complet en une journée. L'analyse transitoire avec interaction fluide-structure, autrement nécessaire, prendrait plusieurs fois plus de temps".

Réglages automatisés en arrière-plan

Pour amener les composants du compresseur au bon niveau de température, la charge thermique, qui se répète périodiquement une fois par rotation, est calculée plusieurs fois de suite jusqu'à ce qu'une répartition périodique équilibrée de la température s'établisse. Les charges dépendantes du temps et du lieu d'un tour complet du processus de compression sont calculées à l'aide d'un programme développé par OBRIST, exportées et importées dans la solution d'automatisation ACT. Elles constituent la base de la définition en arrière-plan des conditions générales spécifiques à l'application pour chaque variante de compresseur, ainsi que de la commande des étapes de charge nécessaires et des réglages du solveur pour les calculs.

Les largeurs de fente jouent un rôle important dans l'efficacité de la machine | ® OBRIST

La largeur de l'espace entre les deux éléments de spirale des compresseurs Scroll joue un rôle important dans le rendement de la machine et la durée de vie des composants. Un interstice trop petit entraîne une usure précoce, un interstice trop grand réduit le rendement en raison des fuites dans la chambre de compression. Lors de la simulation, des éléments de contact sont positionnés sur les surfaces soumises à la pression pour détecter les fentes.

La fonction de sous-modélisation permet de mailler finement les zones les plus sollicitées. — La fonction de sous-modélisation permet de mailler finement les zones les plus sollicitées | ® OBRIST

Pour pouvoir déterminer la résistance à la fatigue du compresseur Scroll de la manière la plus détaillée possible, les états de contrainte des composants doivent être analysés avec précision. Pour cela, un maillage très fin est nécessaire, ce qui entraîne à son tour de longs temps de calcul. La fonction de sous-modélisation d'Ansys permet de relever facilement ce défi. Elle permet de ne mailler finement que les zones les plus sollicitées afin d'y vérifier de manière ciblée si les limites de contrainte sont localement dépassées.

Un aperçu plus profond et plus complet

Alejandro Catalá-Ruiz conclut : "La nouvelle solution de simulation automatisée nous permet d'obtenir une meilleure qualité de produit en améliorant la fonctionnalité, l'efficacité opérationnelle et la robustesse de la conception. Les simulations réalisées avec la solution ACT nous ont permis de mieux comprendre le comportement de nos compresseurs Scroll. Nous avons acquis une vision plus approfondie et plus complète des situations auxquelles nos compresseurs sont confrontés dans la pratique. Depuis que nous utilisons l'outil, nous avons pu confirmer les résultats de la simulation à l'aide d'essais ciblés. Seuls des tests sur des prototypes ne nous auraient pas permis d'acquérir le savoir-faire dont nous disposons désormais sur les conditions de fonctionnement réelles de nos compresseurs Scroll". Grâce à ce flux de travail, OBRIST Engineering, en tant que prestataire de services de développement, et donc aussi ses clients, s'assurent une avance technologique basée sur la simulation.