Etude de cas d’utilisateur :
MapleSim contribue à la construction de machines off-shore plus fiables

Des modèles MapleSim sont utilisés dans le cadre d’un projet de recherche d’une université norvégienne mené en partenariat avec Aker Solutions pour prévoir les performances d’équipements off-shore complexes de manutention. Le projet, qui consiste dans un premier temps à aider les ingénieurs à sélectionner les meilleurs composants pour cette tâche, vise à terme à une automatisation plus poussée du processus de conception.

Les installations de forage pour le pétrole et le gaz coûtant quotidiennement des millions de dollars, les équipes concernées doivent veiller à opérer le plus rapidement possible. Il s’agit en l’occurrence d’assembler les kilomètres de canalisations flexibles qui constituent la colonne de forage en opérant toujours en toute sécurité, ce sur une plate-forme éloignée, dans un espace limité et dans des conditions météorologiques souvent difficiles.

Les plates-formes de forage modernes ont recours à des équipements de manutention hautement spécialisés capables d’assurer le déplacement rapide, précis et sécurisé des différents éléments afin de respecter le calendrier de forage. En général, ce matériel est actionné hydrauliquement, avec les systèmes les plus modernes intégrant un dispositif de commande électronique sophistiqué, qui simplifie le fonctionnement et autorise un degré d’automatisation extrêmement élevé.

La conception de ces dispositifs de commande est une tâche difficile. Le comportement dynamique d’une grue en mouvement dépend, entre autres, du comportement précis des vannes électrique et hydraulique de contrôle, de la performance de ses actionneurs hydrauliques, de l’inertie de la structure de la grue, de sa charge et des interactions complexes de tous ces éléments.

En raison de cette complexité, la programmation d’un dispositif de commande de grue s’avère non seulement difficile, mais soulève aussi des problèmes au niveau de sa conception mécanique et hydraulique. Les équipes de conception doivent s’assurer que les composants hydrauliques qu’ils sélectionnent auront le niveau de réactivité requis, ou « bande passante » suffisante, tout en prenant en compte une multitude d’autres facteurs comme le coût, les dimensions, le poids des composants, leur fiabilité à long terme et leur facilité de maintenance.

Un projet de recherche en cours au Département d’Ingénierie de l’Université d’Agder en Norvège, réalisé en collaboration avec le fabricant de matériel offshore Aker Solutions, vise à simplifier ce redoutable défi de conception en permettant aux ingénieurs de construire et d’exécuter des simulations détaillées de l’équipement avant même d’assembler la moindre pièce. MapleSim, l’outil de modélisation au niveau système de Maplesoft, joue un rôle essentiel dans cette initiative.

Morten Kollerup Bak, le chercheur Doctorant en charge du projet, explique la méthode utilisée. « Notre objectif est d’utiliser la conception orientée modèle pour prédire le comportement des produits et aider à la prise des décisions clés relatives à la conception. Pour que cela marche, il faut pouvoir modéliser la structure toute entière et le système de commande avec suffisamment de détails pour se faire une idée réaliste de ses performances ».

Pour le travail de Morten Kollerup Bak, MapleSim est indispensable pour la construction de modèles offrant une telle précision. « Je divise le système en trois modèles différents : la structure mécanique, le dispositif d’actionnement hydraulique et le système de commande électrique », précise-t-il. « Je me sers de MapleSim pour modéliser les deux premiers éléments et parfois les trois ».

MapleSim fait du bon travail, explique-t-il, parce qu’il associe une vaste bibliothèque d’éléments standards à la capacité d’intégrer facilement des pièces personnalisées. Or ce degré de personnalisation est essentiel pour obtenir la précision et les détails exigés pour une conception orientée modèle.

« Ici, notre objectif est de construire dans la mesure du possible les modèles de système hydraulique à partir de données de catalogue standards », explique Morten Kollerup Bak. « Mais nous nous sommes rapidement aperçu que les fabricants de composants ne fournissent pas toujours toutes les données nécessaires, en particulier lorsqu’on examine le comportement précis de leurs composants en conditions dynamiques ».

Pour obtenir les données manquantes, Morten Kollerup Bak a construit des modèles sur mesure des composants clés comme les vannes de régulation et validé leur précision en effectuant des tests sur des composants particuliers agissant séparément.

Une fois qu’il a confiance dans la performance des éléments personnalisés, Morten Kollerup Bak est à même de les intégrer dans les modèles MapleSim de l’ensemble du système d’actionnement, puis de s’en servir pour évaluer les performances probables de la grue complète. « Avec mon partenaire industriel, nous avons déjà construit un modèle de l’une des grues existantes et démontré que ce modèle prédit fidèlement le comportement de la vraie grue. Nous avons commencé à utiliser le modèle dans notre travail de conception en examinant l’impact probable des substitutions ou des modifications apportées à différents composants ».

La possibilité de modéliser de tels changements est de toute évidence extrêmement utile pour les concepteurs d’Aker Solutions. L’étape suivante du projet est cependant susceptible de transformer radicalement leur rôle. « Nous voulons à terme utiliser nos modèles pour automatiser la conception », confie Morten Kollerup Bak. « Avec cette approche, nous introduisons les exigences de performances des produits finis dans le système et grâce à un grand nombre d’options pour les composants hydrauliques et mécaniques, nous laissons le logiciel rechercher la solution optimale ».

L’optimisation de centaines de composants et de milliers de paramètres s’avérerait longue, difficile et extrêmement rébarbative pour les ingénieurs ; en revanche, un modèle simulé et créé à l’aide de MapleSim peut finaliser cette tâche rapidement et sans répit. Pour autant, un système viable nécessite un algorithme de recherche efficace et Morten Kollerup Bak entend appliquer la Méthode Complexe. « Dans l’algorithme, nous incorporons un certain nombre de conceptions générées de façon aléatoire dans la simulation, qui évalue alors les performances de chacune d’entre elles », explique-t-il. « Elle choisit ensuite la conception la moins performante et la « reflète » au centroïde des conceptions restantes pour produire une solution pouvant fonctionner plus efficacement. Ce processus est ensuite répété avec, à chaque fois, substitution de la conception la moins performante et ce, jusqu’à obtenir une convergence des solutions vers le résultat optimal ».

Morten Kollerup Bak utilise au départ la stabilité et la précision comme critères de performance. Par conséquent, la solution optimale est celle où la conception produit le plus faible niveau d’oscillations dans le système hydraulique tout en ayant la capacité de suivre la référence de position appliquée par le système de commande. Morten Kollerup Bak prévoit d’ajouter ultérieurement d’autres critères comme le prix, la robustesse et la fiabilité à long terme.

A mesure que le projet de l’Université d’Agder confronte ses modèles à des utilisations toujours plus exigeantes, d’autres aspects de MapleSim prennent davantage d’importance. « J’utilise MATLAB^® et Simulink^® pour exécuter l’algorithme d’optimisation de la conception », précise Morten Kollerup Bak. « Le lien direct de MapleSim à ce package facilite l’intégration des deux parties du travail ». L’optimisation des conceptions impose également des exigences considérables quant à l’efficacité des logiciels de calcul, sachant qu’une seule optimisation peut nécessiter des centaines, voire des milliers de simulations distinctes. « MapleSim s’exécute très vite et semble efficace sur le plan du calcul ; c’est essentiel pour limiter les temps d’exécution à un niveau raisonnable au moment où nous effectuons des analyses plus approfondies et plus sophistiquées », conclut-il.

Contactez Maplesoft pour savoir comment MapleSim peut être utilisé pour vos projets