Développement du projet Swissmetro par une plate-forme numérique

21/10/2017
Publication REE REE 2005-3
OAI : oai:www.see.asso.fr:1301:2005-3:20558
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Développement du projet Swissmetro par une plate-forme numérique

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> L'article lî : nitlé L > Déveloooement du projet Swissmetro... < jeveionn Développement du projet Swissmetro a par une p ! ate-forme numérique Par Marcel Jufer,VincentBourquin EPFL - Ecolepolytechnique fédérale de Lausanne 1. Introduction Depuis 1992, le projet Swissmetro a pour objectif de construire en Suisse un premier tronçon du système de transport souterrain à haute vitesse, sous vide partiel et à sustentation et propulsion électromagnétiques. n Pour un Etat, le coût des transports classiques à sa charge représenteun fardeau extrêmement lourd, élément qui vient s'ajouter aux lobbies en place et à l'inertie administrative, empêchant ainsi l'êmergence de nou- velles technologies. Le choix qui a été fait ici : procéder à un développe- ment centré sur une plate-forme numérique, se base sur deux aspects : . La conviction qu'un système de transport comme Swissmetro a un vrai potentiel industriel ; . L'analyse des expériencesrécenteset des dévelop- pements en cours en matière de gestion de déve- loppement de systèmesde transport. 2. Le développement industriel aujourd'hui L'effort principal du monde industriel porte sur le rac- courcissement du cycle de développement, allant de l'idée du produit à sa mise sur le marché, l'ensemble de ce processusdevant être rendu fiable et robuste en vue de son objectif par un travail important sur les plans tech- nique, organisationnel et financier. Pour l'entreprise, l'enjeu est de préserver ainsi sa compétitivité. Cet effort est actuellement caractérisépar une modification signifi- cative de la méthodologie de développement, modifica- tion qui se caractérise par une utilisation massive de moyens numériques afin de supprimer autant que pos- sible le recours à des expériences intermédiaires, les réglages et l'ajustage du produit et de son processus de fabrication intervenant sur la tête de série. Depuis quelques années,on assisteà une telle modification, dans le domaine automobile et aérien notamment, avec des résultats extrêmement positifs en termes d'économie de temps et d'investissement en phase de développement, ainsi qu'en qualité du résultat. 3. Description d'une plate-forme numérique Une plate-forme numérique se compose : . D'un réseau informatique auquel sont connectés des ordinateurs de calcul et des stations de travail. Via le réseau extérieur, des fournisseurs peuvent venir seconnecter sur la plate-forme ; . D'une équipe organiséede développement intégrée (IPT) dotée d'un ensemble de logiciels nécessaires au développement du produit. L'équipe est en général regroupéeavec son matériel sur un plateau (appelé le plateau numérique), où les groupes de travail fonctionnent autour d'îlots thématiques ; . D'une plate-forme PLM (Product Lifecycle Management) permettant de considérer le produit sur son cycle de vie ; . D'une méthodologiede développementintégréeavec desprocessus conformesà la nonne ISO 9000: 2000; . De moyens de visualisation permettant les revues transdisciplinaires de projet. La mise en oeuvred'une plate-forme a les avantages s suivants : . Accélérationdu processusde développementpar une utilisation intensivede la simulation numérique ; · Convergence accruedesparamètres etcaractéristiques du système,réductiondesmargesd'incertitude ; . Diminution des budgets de développement ; . Facilité d'intégration des technologies les plus modernes au meilleur moment de la conception . Facilitation de la communication entre disciplines ; . Support performant à l'ingénierie des systèmeset à la sécurité : Rapidité des rétroactions de conception pour l'amélioration du système ; . Tests de la robustesse,de la sécuritéet de la fiabilité du système ; Réduction drastique du nombre d'expériences physiques nécessairesau développement : Intégration facilitée des processus de production en phasede développement ; . Support à la vente et à l'effort marketing ; . Image moderne. c REE N3 Mars 2005 e > L'article > Développement du projet Swissmetro... < Modélisation de géométrie Génération de maillage Calcul numérique Analyse Figi (i-e 1. Schéiiiti illii.ti-ciiit les éléiiieiits dit processiis itéi-atf d'aiiiéliot-citioii des géoiiiétl-ies. : - :.. ' ; ! .,... '. " -'. ' "' -.. ''. ! ' . ", :., 1 < 1 1 " " Ï " 11 . Il - 1 Il Il 1'1', Figure 2. Modélisation de géométrie pocvr les decx premiers cas tests. 4. Mise en place de la plate-forme numérique 4.1. Processus d'utilisation Le processus d'utilisation de la plate-forme numérique Swissmetro se résume à 4 étapes regroupant les 4 fonctions de base, comme présenté schématiquement à la figure 1. 4.2. Géométrie Toutes les géométries nécessaires pour procéder à l'évaluation des logiciels ont été modélisées. La figure 2 illustre la modélisation des deux premières configurations évaluées. 4.3. Maillage Des maillages ont été générés sur la base des géomé- tries à l'aide de différents outils. Le maillage a une influence directe sur la qualité des résultats de la simulation, et sa génération peut nécessiter un temps d'ingénieur conséquent. 4.4. Analyse numérique des écoulements Les calculs réalisés à ce jour pour l'ensemble des ,o,eome e géométries considérées fournissent des premiers résultats encourageants. Un aspect essentiel de cette analyse est la marge d'incertitude associée à une valeur calculée de traînée. La traînée est en effet la force aérodynamique la plus difficile à estimer. Les éléments suivants sont à considérer : précision de la géométrie et qualité du maillage, . définition des conditions initiales et aux limites, notamment celles imposées par le champ éloigné sur le champ rapproché, ce qui nécessite une approche monodimensionnelle couplée, . paramétrisation du système de résolution et choix des modèles numériques pour résoudre les différents écoulements caractéristiques autour du véhicule. > 9 v r d 111 Rr ., p i ui 7. 3 igue. Figure 3. Maillage autour d'iiiie configuration test. On aperçoit, dans la cottl ? e visualisée, la deiisficatioii du iiiaillage pour capter la couche liiiiite autour du véhicule et sur les parois du tunnel. REE No 3 Mars2005 r > L'article invtê > Developpement du prqli et Swissmetro... < ,-.'.-'i'' ''''/ a ''''ï'ri'\..'y'' "'''.'./' " '< \' " ' " - -'' " t : " -'''j' "' ,féi-eiit,e de li-es.yioii eiiii-e le iie Figiti-e 4. Df et le (-iilot du eii iiioi (i) eiiieizt claiis i (ii titbe (eii hcilit), et sillnge eii ai,al cle l'éc'oiileiieiît ciiitoiii* (lit 'oi-I) s (eii bas). LII vitesseest i-eli-éseiitée Cil gi-isé, et les ligiie, de cotit-ciiit eii filetsloiigiliglies. La figure 4 montre une représentation visuelle de l'écoulement autour du véhicule et dans le sillage. Ces premiers essais ont permis d'entraîner le processus d'utilisation de la plate-forme numérique et de procéder à l'analyse de l'écoulement autour des géométries comparables à celles qui nous intéressent. Bien que la géométrie soit simple, l'écoulement est complexe, comme le montrent les résultats obtenus. Les simulations déjà effectuées ont permis une pre- mière estimation de la traînée et une comparaison avec les mesures expérimentales. Les résultats préliminaires sont présentés dans la figure 5. On peut établir les deux conclusions préliminaires suivantes : Les valeurs de la traînée issues des deux logiciels de simulation testés sont très proches ; La trainée établie sur base d'une simulation numé- rique est inférieure à la traînée mesurée expéri- mentalement. Toutefois la tendance des courbes est la même, ce qui permet déjà à ce stade de l'étude d'utiliser ces résultats pour le dimensionnement du système. L'étude des configurations de test se poursuit et une analyse plus fine des différences entre les résultats expé- rimentaux et numériques sera effectuée. Des simulations ont également déjà été effectuées sur c le modèle simplifié d'un véhicule à grande vitesse dans c un tunnel sous vide partiel. Les différences principales avec les configurations de test sont : ZD . La vitesse d'écoulement plus importante avec des effets de compressibilité. 'L'influence prépondérante du champ d'écoulement éloigné sur le champ d'écoulement rapproché, ce qui nécessite une approche monodimensionnelle couplée afin d'initialiser les calculs avec des valeurs. La figure 6 présente des résultats des premières simu- c lations effectuées. 5. Résultats dynamiques La traînée aérodynamique dépend des facteurs suivants : . géométrie du véhicule et du tunnel (en premier cyeome lieu, les longueurs et les diamètres, puis la forme des éléments d'intégration des systèmes électro- mécaniques et la forme des extrémités) . configuration du réseau de tunnel (notamment les connexions entre les deux tunnels, ainsi que l'exis- Coetficient de traînée 10 __ " _ " 'r *'' 10- ---- -----<- " ------- 'nj =. :.:.........\.-r :''''' "' " = t - _ a ____________________ -- ---- -/ v a v U U u/ C. rapport de blocage rapport debtocage - Fluent CFX ex perirne nta 1 Fi,glii-e5. Coiiilai-ciis (ii du cof .ficieiit de trciiiée eii.foictioii du i-cilport du blocage. RFF RHH N u -') Mars 2005 e > L'article invÊte > Développement du projet Swissmetro... < 1 . Li i la 5 jh4 '''' " .. : - ! -'. "' Figcrr-e 6. Le chtiiiip de pr-ession calculé sur la surfâce du iliodèle sit7iplfié d'iiii véhi (,-itle à gi-aiide i) itesse déiiis iiii tunnel sous vide partiel. tence de chambres ou autres discontinuités dans la section de base du tunnel) . vitesse du véhicule et intervalle entre deux véhicules . pression dans le tunnel La première conclusion de cette étude est la nécessité de coupler les approches 3D (tridimensionnelles) et ID (mono-dimensionnelles) de façon efficace. Le couplage des approches ID et 3D proposé dans le cadre de la présente étude se fait en suivant le processus itératif suivant : 1. La première étape est une simulation ID sur la base de coefficients choisis a priori. 2. La seconde étape est le calcul 3D, avec des condi- tions aux limites déterminées par les résultats ID. 3. Une nouvelle simulation ID est effectuée avec les coefficients issus du calcul 3D. Les conditions aux limites sont comparées à celles obtenues lors de la première étape. 4. Les étapes 2 et 3 sont répétées jusqu'à ce qu'il ne reste plus de différence significative entre les solu- tions des itérations successives. Sur la base de l'approche itérative décrite ci-dessous, des premiers résultats de traînée ont pu être déterminés afin d'établir l'influence des différents facteurs condui- sant au dimensionnement du système. Dans la présente étude, l'écoulement est modélisé par une approche 3 D dans la région de 800 m en amont du véhicule et 1600 m en aval du véhicule. 5. Bilan et conclusion La première phase du projet Swissmetro numérique concerne la constitution et l'utilisation d'une plate-forme centralisée. L'étape suivante, qui a démarré, a pour objec- tif scientifico-technique premier le développement d'une plate-forme numérique distribuée pour satisfaire aux exi- gences d'ingénierie avec des ressources décentralisées. Un livrable est la démonstration d'un outil performant pour l'établissement de la maquette numérique (ensemble des ressources de conception, de construction, de modéli- sation et d'industrialisation) et la mise en oeuvre des pro- cessus d'utilisation adaptés à la plate-forme distribuée. 60000 50000 40000 30000 20000 10000 0 1 1 1 - - 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 Figure 7. Traînée d'un véhicule dans un tunnel. REE N. ï Mars 2005 > L'article invitéd > Développement du projet Swissmetro... < Cet outil sera testé par la constitution de « démons- trateurs » vérifiant et qualifiant le fonctionnement de la plate-forme. En particulier, le développementet l'adapta- tion d'équipements électromécaniques seront intégrés dans le cadre de ces démonstrateurs. Ces équipements nécessitent en effet une approche intégrée et itérative, regroupant électromécanique, structure et aérodyna- mique. Leur développement et leur intégration ont un impact significatif en termes de performances et de coût, et constituent un élément technologique clé dans le processusde développement du projet. L'objectif secondaireest la définition des cahiers des chargesdesdifférents composantsdu système.Cet objectif est nécessairepour la constitution du partenariat indus- triel, pour la définition desstructuresd'information sur la plate-forme et pour l'organisation des phasesultérieures du projet. Dans l'état actuel du projet Swissmetro, les cahiers des charges doivent être entièrement revus afin d'être uniformisés et mis àjour. REE N3 Mars 2005