MapleSim contribue à la construction de machines offshore plus fiables

Un projet de recherche d’une université norvégienne fait appel à des modèles MapleSim pour prédire les performances d’équipements de manutention complexes. A court terme, ce travail aide les concepteurs à sélectionner les meilleurs composants pour cette opération. Il s’agit en fin de compte d’automatiser davantage le processus de conception.

Avec des plates-formes de forage pétrolières et gazières offshore se chiffrant quotidiennement en millions de dollars, leurs équipages ont besoin d’accomplir leur tâche aussi rapidement que possible. Le travail consiste à assembler les milliers de mètres de conduits flexibles constituant le train de tiges de forage, en procédant de manière sûre et cohérente sur une plate-forme à distance où l’espace est compté et dans des conditions météo capricieuses.

Les plates-formes de forage modernes recourent à des équipements de manutention hautement spécialisés pour assurer le déplacement rapide, précis et sécurisé des composants afin de respecter les délais. Cet équipement est en général commandé par système hydraulique, les modèles les plus récents bénéficiant d’une commande électronique sophistiquée qui simplifie l’utilisation et garantit un niveau d’automatisation particulièrement élevé.

La conception de ces systèmes de commande s’avère ardue : en effet, le comportement dynamique d’une grue dépend, entre autres, de la précision de fonctionnement électrique et hydraulique des vannes de régulation, de la performance des actionneurs hydrauliques de la grue, de l’inertie de sa structure, de sa charge ainsi que des interactions complexes entre ces différents éléments.

Cette complexité rend non seulement difficile la programmation du système de commande des grues, elle soulève également bien des difficultés quant à sa conception mécanique et hydraulique. Les équipes de conception doivent veiller à ce que les composants sélectionnés puissent assurer le niveau requis de réactivité, de « bande passante », tout en prenant en compte quantité d’autres facteurs comme le coût, la dimension et le poids des composants, leur fiabilité à long terme et la facilité de maintenance.

Le projet de recherche en cours au Département Ingénierie de l’Université d’Agder en Norvège, réalisé en collaboration avec le fabricant d’équipements offshore Aker Solutions, vise à simplifier cet incroyable défi de conception en permettant aux ingénieurs d’élaborer et de lancer des simulations détaillées d’équipements avant de les assembler en une pièce unique. MapleSim, l’outil de modélisation au niveau système de Maplesoft, joue un rôle déterminant dans cette initiative.

Morten Kollerup Bak, chercheur PhD en charge du projet, en explique la procédure : « Notre objectif, c’est d’utiliser une conception à base de modèle afin de prédire le comportement des produits finis et d’accompagner les décisions clés de la conception. Pour cela, tout dépend de votre capacité à modéliser l’ensemble de la structure et du système de commande de manière suffisamment détaillée pour se faire une idée réaliste de ses performances ».

Dans le travail de Morten Kollerup Bak, MapleSim est essentiel pour la construction de modèles précis. « Je scinde le système complet en trois parties : la structure mécanique, l’actionneur hydraulique et la commande électrique », explique-t-il. « J’utilise MapleSim pour modéliser les deux premières parties et, parfois, les trois ».

MapleSim est, selon lui, bien adapté à cette tâche car il conjugue une bibliothèque complète d’éléments standards avec la possibilité d’intégrer facilement des composants personnalisées. Et ce degré de personnalisation est essentiel pour garantir la précision et le niveau de détails requis pour la conception à base de modèle.

« Notre objectif, avec ce travail, c’est de construire les modèles d’hydraulique dans la mesure du possible à partir des données catalogue standards », observe Morten Kollerup Bak. « Nous nous sommes cependant rapidement aperçu que les fabricants de composants ne fournissent pas toujours les données dont on a besoin, en particulier lorsqu’on se penche sur le comportement précis de leurs composants en conditions dynamiques ».

Pour obtenir les données manquantes, Morten Kollerup Bak a construit des modèles personnalisés de composants clés, comme les vannes de régulation, et validé leur précision en réalisant des tests sur des composants individuels agissant chacun de leur côté.

Après s’être assuré de la performance des éléments personnalisés, Morten Kollerup Bak peut les intégrer dans les modèles MapleSim de système actionneur complet puis utiliser ces données pour évaluer la performance prévisible de la grue complète. « Avec mon partenaire industriel, nous avons d’ores et déjà construit un modèle de l’une des grues existantes et démontré qu’il prédit avec précision le comportement de la grue réelle. Nous avons commencé à utiliser le modèle dans notre travail de conception en examinant les incidences probables des substitutions ou modifications de conception au niveau des composants individuels ».

La possibilité de modéliser de tels changements avant de construire le système est de toute évidence extrêmement utile pour les concepteurs d’Aker Solutions. Toutefois, l’étape suivante du projet est de nature à en modifier radicalement le rôle. « Au bout du compte, nous voulons mettre nos modèles à profit pour l’automatisation de la conception », explique Morten Kollerup Bak. « Dans cette démarche, nous alimentons le système avec les exigences du produit fini en termes de performances et avec une bibliothèque d’options de composants hydrauliques et mécaniques, en lui laissant le soin de rechercher la solution optimale ».

L’optimisation de centaines de composants et de milliers de paramètres serait, pour des concepteurs qui sont des êtres humains, une épreuve fastidieuse, difficile et à coup sûr ennuyeuse ; en revanche, un modèle simulé créé grâce à MapleSim peut rapidement et activement finaliser une telle tâche. Au demeurant, un système viable requiert un algorithme de recherche performant et Morten Kollerup Bak prévoit d’utiliser la Méthode Complexe : « Dans l’algorithme, nous intégrons à la simulation toute une série de conceptions générées aléatoirement et il évalue les performances respectives », confie-t-il. « Il sélectionne ensuite la conception la moins performante et la renvoie « en miroir » dans le centroïde des conceptions restantes pour produire une solution susceptible de fonctionner plus efficacement ». Ce processus est ensuite répété, avec à chaque fois substitution de la conception la moins performante, jusqu’à ce que les solutions convergent vers le résultat optimal.

Au départ, Morten Kollerup Bak utilise la stabilité et la précision comme facteurs de performance. Et, en conséquence, la solution optimale, c’est la conception qui affiche le plus faible taux d’oscillations dans le système hydraulique et s’avère la mieux à même de suivre le positionnement de référence appliqué au système de commande. Ultérieurement, Morten Kollerup Bak prévoit d’ajouter d’autres critères comme le prix, la robustesse et la fiabilité à long terme.

Comme le projet de l’Université d’Agder soumet ses modèles à des utilisations encore plus exigeantes, d’autres aspects de MapleSim acquièrent une plus grande importance. « J’utilise MATLAB^® et Simulink^® pour lancer l’algorithme d’optimisation de la conception », indique Morten Kollerup Bak. « Comme MapleSim propose un lien direct avec ces outils, il est facile d’intégrer les deux parties du travail ». L’optimisation de la conception sollicite aussi énormément l’efficacité des logiciels de calcul, car une seule optimisation peut nécessiter des centaines voire des milliers de simulations distinctes. « MapleSim tourne vite et semble efficace sur le plan du calcul, ce qui est essentiel pour limiter les temps d’exécution à un niveau gérable alors que nous réalisons des analyses plus vastes et plus sophistiquées », conclut-il.

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