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Simulation de fluides chez le leader mondial des constructeurs de grues mobiles

Simulation CFD pour le développement de grues chez Liebherr

Le troisième volet de la série sur la simulation numérique chez Liebherr-Werk Ehingen porte sur le calcul des fluides - CFD. L'hydraulique, la pneumatique ou la climatisation sont des domaines d'application de la simulation que beaucoup n'associent pas immédiatement au développement des grues. Dans les parties 1 et 2, la simulation sur le thème de la mécanique a été mis en évidence.

Analyses CFD pour le développement des grues

Les calculs FEM et les calculs de structure liés à la conception d'une grue viennent immédiatement à l'esprit. Mais pour Liebherr-Werk Ehingen, la simulation de flux est également un facteur décisif lorsqu'il s'agit d'optimiser les processus et d'améliorer la qualité.

Chaque grue mobile est équipée d'un moteur et d'un entraînement hydraulique avec une multitude de tâches de débit et de nombreuses commandes et capteurs sensibles à la température. Une utilisation mondiale dans des climats parfois extrêmes doit néanmoins être garantie. Cela s'applique également aux questions de confort dans la cabine du conducteur, auxquelles les analyses CFD apportent une réponse.

  • La tendance du marché des grues mobiles va vers des modèles toujours plus puissants et compacts, avec une plus grande capacité de charge.
  • Dans le même temps, il existe une demande pour des équipements plus économes en carburant et plus respectueux de l'environnement qui, bien sûr, sont conformes aux réglementations actuelles en matière de contrôle des émissions.
  • Chaque unité, par exemple celle utilisée pour la climatisation, doit être optimisée en termes d'espace et de poids.

Dans le même temps, le délai entre l'idée initiale et la livraison d'un nouveau modèle de grue est de plus en plus court (délai de mise sur le marché). Le développement de nouveaux types de grues a souvent un impact direct sur les sujets CFD correspondants. Les résultats d'essais et de simulations d'un modèle précédent sont d'une aide limitée. Dans la plupart des cas, de nouveaux calculs sont nécessaires, car le niveau de performance est encore plus élevé.

La simulation d'écoulement CFD permet à LWE de répondre à l'avance aux questions relatives au comportement de l'unité en matière d'écoulement, de chauffage et de refroidissement et de déterminer rapidement et objectivement l'optimum parmi plusieurs variantes possibles.

 

Des réponses rapides sont nécessaires

Helmut Späth est responsable de la simulation CFD chez Liebherr-Wert Ehingen. Il décrit les défis à relever :

"Pour les nouveaux types de grues en cours de développement, il y a eu et il y a encore toute une série de demandes de la part des bureaux d'études sur les thèmes de l'admission d'air du moteur, du refroidissement du moteur, du flux de gaz d'échappement, de la disposition du refroidisseur, de l'admission hydraulique et du flux du réservoir hydraulique. Idéalement, les modèles CAO 3D sont préparés pour la simulation CFD dans le département de conception."

"Grâce la simulation CFD, notre objectif est de donner au concepteur une réponse à ses questions aussi rapidement que possible. Celles-ci concernent, par exemple, le comportement à certaines températures, pressions et vitesses d'air ainsi que la sélection de la variante de conception optimale appropriée parmi la multitude de possibilités. En général, la question est de savoir comment optimiser davantage un assemblage. La rapidité de la réponse aux questions est la clé d'une application réussie de la simulation, car le temps de développement ne doit pas être augmenté par la simulation."

"Seul un processus de simulation rapide, avec une exécution très rapide de la préparation du modèle CAO, du maillage et de la simulation, permet de tester virtuellement plusieurs variantes pour optimiser le système. Si ce processus est trop lent, la simulation n'a qu'une fonction de calcul de confirmation sur des assemblages validés. L'effort à fournir pour modifier un assemblage une fois qu'il a été libéré est beaucoup plus élevé que pour rejeter une variante inadaptée à l'avance, car nous sommes alors beaucoup plus avancés dans le processus de développement global. C'est pourquoi nous essayons d'éviter cela avec la simulation CFD"

 Helmut Späth CFD Simulation Engineer, Liebherr-Werk Ehingen GmbH
Helmut Späth
CFD Simulation Engineer, Liebherr-Werk Ehingen GmbH

Nous savons avec certitude que si jamais nous sommes bloqués, le support de CADFEM sera là.

La décision est confortée

L'utilisation d'Ansys comme logiciel de simulation a été une décision prise à l'échelle de l'entreprise par le groupe Liebherr. Les logiciels Ansys-SpaceClaim, Ansys Fluent et d'autres outils Ansys utilisés au LWE pour la simulation d'écoulement ont été choisis comme outils de développement dans le cadre de l'accord de groupe conclu avec CADFEM en tant que partenaire Ansys. Helmut Späth nous fait part de sa satisfaction :

"Ansys Fluent est utilisé dans plusieurs usines du groupe Liebherr, qui me transmettent des avis positifs. Si bien que nous nous sentons confortés dans notre décision. En outre, un certain nombre de nos prestataires de services et fournisseurs utilisent Ansys Fluent. Je vois les raisons de cette forte popularité dans l'impressionnante gamme de fonctions et le soutien efficace de CADFEM. Nous savons avec certitude que si nous sommes bloqués, le support de CADFEM, reconnu pur sa qualité, sera là."

Champs d'analyse CFD typiques

  • Dans le cas des moteurs de véhicules, les questions relatives au comportement d'écoulement de l'admission d'air, de l'épuration des gaz d'échappement et de l'évacuation des gaz d'échappement sont intéressantes.
  • Dans le cas de l'hydraulique, l'accent est mis sur l'optimisation des pertes de pression, du comportement de l'admission et de la séparation de l'air dans le réservoir.
  • L'eau de refroidissement, l'air de suralimentation, l'huile de transmission ainsi que les unités de commande et les capteurs sensibles à la température doivent être refroidis de manière fiable ou protégés de la surchauffe, en particulier dans les climats chauds avec circulation d'air. La résistance aux climats extrêmes augmente la plage de fonctionnement régionale et accélère la préparation à l'utilisation même à des températures extrêmement basses, car les fonctions telles que le préchauffage peuvent être optimisées.
  • Des questions de confort doivent également être abordées, tant dans la cabine du conducteur de la grue lors de la conduite sur route que dans la cabine de la grue dans le chariot élévateur lors du levage de charges. En fonction de la température ambiante, tous deux ont besoin d'un poste de travail agréablement chauffé ou bien refroidi afin de pouvoir effectuer en toute sécurité des opérations de levage lourd, avec une concentration maximale.
  • En outre, il faut éviter le bruit et la formation de buée ou de givre sur les fenêtres. Comme exemples plus approfondis de l'utilisation de la CFD, nous avons choisi deux cas d'utilisation ci-dessous qui donnent un aperçu des analyses.
Cas d'application CFD : refroidisseur d'huile

Dans l'une des grues en cours de développement, une position optimale pour le refroidisseur d'huile a été recherchée et trouvée. Tout d'abord, le refroidisseur d'huile et son enceinte ont été modélisés dans Ansys SpaceClaim et divisés en trois éléments volumiques : le boîtier, la zone du refroidisseur et le ventilateur. Ensuite, le refroidisseur a été modélisé comme une zone poreuse avec une capacité de chauffage conforme aux spécifications du fabricant. Vient ensuite la modélisation du ventilateur comme une "zone de ventilateur 3D" selon la courbe caractéristique du ventilateur du fournisseur.

La variante d'installation présentant la plus grande capacité de refroidissement a été recherchée car elle permet à une grue de travailler à pleine capacité le plus longtemps possible dans un environnement chaud. La simulation a permis de tester toute une série d'emplacements et de variantes d'installation.

La position optimale a été trouvée rapidement et de manière fiable avec Ansys. Dans certains cas, le débit Q était plus faible car l'environnement offrait plus de résistance. Dans d'autres cas, le débit était élevé, mais la différence de température était plus faible parce qu'une partie de l'air plus froid s'est déplacée de l'arrière du refroidisseur vers l'avant. Il serait impossible de déterminer la disposition optimale sans l'aide de la simulation, tout simplement parce que les conditions de pression de l'air sur le véhicule varient considérablement selon la position et la vitesse de conduite. Le nombre même de variantes nécessite un support logiciel.

CFD cas d'application : catalyseur d'oxydation diesel

Une autre tâche consistait à vérifier que la distribution uniforme de la vitesse d'écoulement sur la section d'écoulement pendant le passage dans le DOC (convertisseur catalytique d'oxydation diesel) est supérieure à l'indice d'uniformité requis de UI = 94 %. Ansys CFD a également résolu cette tâche avec facilité, comme le montre la figure.

 

Des fonctions précieuses

Helmut Späth voit les avantages de la polyvalence d'Ansys Fluent :

"La vitesse, la pression et la température, les vecteurs directionnels de la vitesse d'écoulement, les lignes d'écoulement, les représentations de parois avec maillage de surface et, bien sûr, toute combinaison de ces éléments, peuvent être facilement déterminés. Grâce aux outils de simulation d'Ansys, nous pouvons montrer rapidement et clairement à nos collègues du département de conception comment les conditions d'écoulement affecteront le modèle respectif dans la réalité."

Helmut Späth
CFD Simulation Engineer, Liebherr-Werk Ehingen GmbH

Sans la simulation CFD, de nombreuses questions dans la phase de conception n'auraient pas pu trouver de réponse.

Simulation CFD de grande valeur

Pour Helmut Späth, les avantages du logiciel de simulation Ansys Fluent pour LWE sont évidents :

"Sans simulation CFD, il était impossible de répondre à de nombreuses questions lors de la phase de conception. Avant que nous ne soyons en mesure de réaliser des simulations d'écoulement en interne, les questions complexes de CFD étaient externalisées. Les questions plus simples étaient reportées jusqu'à la mise en service du prototype et n'apparaissaient qu'ensuite. Cela a coûté du temps et de l'argent. Nous ne voulons tout simplement plus avoir de mauvaises surprises lors des essais de prototypes. Si la modification des conceptions commencent à ce stade, cela signifie un travail supplémentaire et des retards dans le projet.

Ansys nous en préserve. Même en envisageant l'utilisation du logiciel d'analyse CFD d'Ansys à moyen terme, on constate une augmentation des avantages des produits et une réduction des coûts. En créant notre propre secteur d'analyse CFD, nous sommes en mesure de développer un savoir-faire interne. Les bureaux d'études demandent désormais plus fréquemment des simulations CFD, et nous pouvons les traiter plus facilement, plus rapidement et avec moins de bureaucratie qu'avec des prestataires externes. Cela améliore la qualité et nous rend plus flexibles et indépendants. Des résultats de simulation CFD déterminés en interne et rapidement représentent une grande valeur pour Liebherr-Werk Ehingen".

La première partie de la série donne une vue d'ensemble de la simulation chez Liebherr-Werk Ehingen.

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.  

Liebherr Werk Ehingen GmbH
www.liebherr.com

Auteur : Thomas Löffler
Images : © Liebherr
Publié : Juin 2022

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