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19 Juli 2013 |
La Revue POLYTECHNIQUE 04/2013 |
Entraînements et transmissions
La conception de systèmes de propulsion de grands navires
Le logiciel de calcul technique Maple de la société MapleSoft, permet aux ingénieurs de concevoir les systèmes de propulsion de certains des plus grands navires au monde. Ce logiciel garantit précision, robustesse et flexibilité dans les calculs de dimensionnement des pièces complexes des hélices. Il prend en compte les caractéristiques des systèmes de commande et les propriétés des matériaux.
Les navires font tourner l’économie de la planète. Qu’il s’agisse de super tankers transportant du pétrole en provenance du Moyen-Orient, de porte-conteneurs chargés de produits manufacturés d’Asie ou de transbordeurs transférant des véhicules des usines en Europe, l’industrie maritime déplace plusieurs dizaines de trillions de tonnes-kilomètre de fret chaque année, soit quatre fois plus qu’au début des années soixante. Pour répondre à cette augmentation spectaculaire du fret, l’industrie maritime a été contrainte à une mutation radicale au cours des dernières décennies. Les navires ont gagné en dimensions et en efficacité, car les entreprises de transport maritime s’emploient sans relâche à limiter leurs charges face à l’augmentation et surtout à l’instabilité des coûts du carburant. Pour les ingénieurs maritimes, cette situation équivaut à une pression constante exercée pour peaufiner les performances et la fiabilité des navires et de leurs systèmes. Nulle part ailleurs, cette pression n’est ressentie de manière plus aigüe qu’à propos de l’un des organes les plus essentiels de la propulsion des navires modernes, que sont les hélices.
Efficacité et fiabilité dans la conception des hélices
L’entreprise MAN Diesel & Turbo, dont le siège est en Allemagne, est à l’avant-garde de cette recherche de performances supérieures en matière de systèmes de propulsion maritimes. Cette entreprise conçoit et fabrique des systèmes de 4 à 40 MW, avec des hélices à pas variable pouvant atteindre 11 m de diamètre, voire davantage pour les hélices à pas fixe. Le logiciel de calcul technique Maple, de la société Maplesoft, joue un rôle important en garantissant l’efficacité et la fiabilité des hélices, qui sont des facteurs de réduction des coûts.
En collaboration avec Rudolf Diesel, considéré comme le père du moteur diesel, l’entreprise MAN Diesel & Turbo a produit son premier bloc diesel en 1897. Elle fabrique des hélices de navires depuis 1902 et a conçu, fabriqué et entretenu à ce jour plus de 7000 propulseurs à hélice.
Les hélices à pas variable actuelles, comme celles de la gamme Alpha CPP de l’entreprise MAN Diesel & Turbo améliorent l’efficacité et la manœuvrabilité des navires. Cette conception d’hélice permet de contrôler l’angle des pales, ce qui garantit une adéquation optimale entre le régime du moteur et la vitesse du navire, maximisant ainsi le rendement de la propulsion, tout en assurant le contrôle précis de la vitesse du bâtiment. Cet aspect est important lors des manœuvres portuaires, par exemple. Les pales peuvent même être réglées afin de fournir une inversion de poussée, ce qui rend caduque l’installation d’une marche arrière ou l’utilisation d’un moteur réversible.
Un logiciel robuste et flexible
Mads Hvoldal est un ingénieur en mécanique du Centre de compétences de l’entreprise MAN Propulsion Diesel & Turbo de Frederikshavn (Danemark). Il travaille avec l’équipe qui conçoit les systèmes de commande mécanique et hydraulique utilisés pour faire varier le pas d’hélice. «Nous produisons toute une gamme de conceptions standards, mais c’est la nature de ce secteur industriel de réaliser des systèmes de propulsion adaptés à des navires particuliers», explique-t-il. Lors des pics de demande relatifs aux nouveaux navires, il n’est pas rare d’avoir, en une année, des centaines de développements de conceptions différentes. Il faut pour cela un système logiciel robuste et flexible.
«Nous commençons par les spécifications de base, la pression d’huile hydraulique disponible, la taille de l’hélice et la fréquence à laquelle il est nécessaire de modifier le pas des pales», explique Mads Hvoldal. «Nous nous servons de ces paramètres pour calculer la dimension requise des pièces, aussi bien pour les éléments standards comme les brides et écrous, que pour les composants techniques utilisés dans le système. Nous transmettons ensuite ces dimensions à notre système de modélisation 3D Pro/Engineer pour réaliser l’ingénierie de détail».
Des calculs de dimensionnement complexes
Les calculs de dimensionnement des pièces sont complexes, prenant en compte les caractéristiques du système de commande hydraulique et les propriétés des matériaux utilisés pour la fabrication des pièces finales. Ils sont aussi critiques: les transmissions doivent être performantes et fonctionner de manière fiable sur de longues périodes et ce, dans des conditions maritimes sévères. Le transport maritime est également un secteur extrêmement concurrentiel; par conséquent, le surdimensionnement ou la sur-ingénierie des pièces ne sont pas des solutions envisageables. Après mûre réflexion, les ingénieurs ont choisi le logiciel Maple pour accompagner ce processus de développement complexe, qui garantit rapidité et précision.
«Au départ, nous avons utilisé le logiciel Maple pour nos calculs de conception, en remplacement d’un autre pack logiciel mathématique», confie Mads Hvoldal. «Cet autre outil nous obligeait à transposer la totalité des équations pertinentes, de leur format d’origine dans notre propre langage avant de lancer les calculs. C’était un processus long et fastidieux d’effectuer toutes les transcriptions à la main, puis de les vérifier». «J’avais déjà, dans de précédentes fonctions, pas mal d’expérience de Maple pour la conception de systèmes hydrauliques», explique-t-il. «Je pouvais, par conséquent, apprécier ses atouts potentiels pour nos travaux actuels». L’avantage décisif du logiciel, c’est que les ingénieurs peuvent placer directement dans le système les équations de la conception sous leur forme d’origine. Ce logiciel devient plus rapide, en limitant la nécessité de contrôle et de débogage du code».
Automatiser les processus de conception
Le Centre de compétences de l’entreprise MAN Propulsion Diesel & Turbo de Frederikshavn utilise Maple depuis six mois environ. La puissance, la vitesse et l’efficacité du système ont convaincu ses ingénieurs de ses possibilités d’utilisation accrue à l’avenir. «Jusqu’à présent, Maple a remplacé notre système précédent pour les calculs de conception», conclut Mads Hvoldal. «Mais nous explorons maintenant la faisabilité d’élaboration de modèles standards pour simplifier et automatiser davantage encore les processus, ainsi que l’automatisation des liens entre nos calculs initiaux et les modèles détaillés de pièces dans le système de CAO 3D».
Maplesoft Switzerland
Philippe Perrier
Tél.: 044 580 08 01
www.maplesoft.com
