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Comment Danielson optimise ses moteurs dès la conception

ANTOINE CAPPELLE acappelle@industrie-technologies.com

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Convertie à la simulation numérique depuis quatre ans, Danielson Engineering fabrique des moteurs prototypes. Circulation de l'air, interactions mécaniques, fonctionnement du moteur entier : la simulation couvre différents phénomènes. Les pièces sont aujourd'hui optimisées dès la conception, grâce à des modèles ajustés par des mesures réelles.

Le technopole de Magny-Cours se trouve à côté du circuit de course près de Nevers. Une dizaine d'entreprises spécialisées dans l'automobile y sont implantées. C'est là que se situent les locaux de Danielson Engineering. Par les fenêtres ouvertes, on entend les moteurs vrombir sur la piste. Ceux qui occupent Danielson ne vrombissent pas encore : l'entreprise conçoit et fabrique des prototypes de moteurs destinés à équiper des véhicules grand public.

Pour accomplir cette tâche, la PME a créé, il y a quatre ans, un service calcul-simulation. Rui Da Silva en est le responsable : « J'étais seul au départ, aujourd'hui nous sommes trois à utiliser la simulation numérique », décrit-il. « Nous avons développé nos méthodes de calcul de sorte que les résultats rendent compte au mieux de la réalité. Cela a été facilité par le fait que les prototypes sont fabriqués sur place, ce qui nous permet de vérifier directement la précision de nos modèles, et de les ajuster grâce à nos bancs de mesures. »

Ces modèles sont construits à l'aide de plates-formes logicielles proposant des briques élémentaires, correspondant à l'ensemble des phénomènes physiques mis en jeu. Chacune a sa spécialité, comme la mécanique des solides ou des fluides. « Si nous changions de plates-formes, nous devrions à nouveau valider nos modèles avec les nouveaux outils », indique le responsable du service. Les ingénieurs calcul qui les utilisent sont également spécialisés : reproduire par simulation les interactions complexes ayant lieu dans une pièce ou un moteur entier nécessite une bonne connaissance de l'objet et des phénomènes modélisés.

« Le plus compliqué est de trouver quelles informations sont les plus représentatives pour réduire l'objet à l'essentiel », résume Antoine Pailler, chargé de la modélisation en une dimension. « Il faut avoir de l'intuition, mais on peut tout modéliser. En un mois, il est possible de reproduire le fonctionnement d'un moteur avec une erreur inférieure à 5 %. » Sur son écran, un simple schéma illustre son propos par une série d'icônes reliées entre elles, représentant les différentes pièces de l'engin.

Modéliser le comportement du moteur

La modélisation en une dimension, ou 1D, consiste à réduire chaque pièce du moteur à ses caractéristiques principales, comme la longueur et le diamètre pour un tuyau. L'ensemble donne des indications sur le fonctionnement du système entier. Les autres postes de calcul utilisent des modèles en 3D. De par leur complexité, ils sont généralement employés pour modéliser une ou plusieurs pièces, mais rarement un moteur entier.

Une fois les modèles développés, ils sont utilisés pour calculer les comportements des pièces ou des moteurs en fonctionnement, comme l'échauffement, la consommation de carburant, ou le son émis avec ou sans boîte à air. « Ces calculs peuvent prendre de quelques minutes en 1D jusqu'à une semaine en 3D », détaille Rui Da Silva. « Mais si l'on mélange les modèles 1D et 3D, il est possible de monter à plusieurs semaines. » La complexité des modèles et calculs réalisés dépend des besoins et du budget des clients. « Ils viennent nous voir avec une problématique. Souvent, ils ont un moteur de base qu'ils souhaitent optimiser, et nous indiquent sur quels paramètres nous pouvons jouer pour y parvenir. »

Avant le prototype, les maquettes numériques

Les caractéristiques des pièces optimisées par calcul sont prises en compte par les dessinateurs lors de la réalisation des maquettes numériques. L'étape suivante, avant le passage à la fabrication, fait également appel aux ressources informatiques. Une fois le moule dessiné, on simule la coulée de métal et le refroidissement. Le but est de savoir si, à cause de la contraction du matériau, un trou risque de se former, et s'il faut y ajouter de la matière le cas échéant. « C'est une étape délicate, qui nécessite parfois plusieurs essais avant d'atteindre la qualité désirée », précise Rui Da Silva.

Avant le recours à la simulation numérique, le champ des pistes de conception était bien plus limité pour Danielson Engineering. Plusieurs pièces différentes étaient testées pour garder la plus performante, qui n'était pas optimisée pour autant. Aujourd'hui, les caractéristiques pour obtenir la meilleure pièce possible sont définies avant la fabrication. De plus, passer par la simulation autorise le recours à des hypothèses inhabituelles, et apporte la preuve de leur validité : une démarche au-delà du simple mimétisme.

Mais le service calcul commence à se sentir à l'étroit dans ses machines. Certains phénomènes sont encore trop lourds à calculer avec les ressources actuelles, comme la combustion des moteurs thermiques. L'entreprise aimerait également développer ses propres concepts pour devenir prescripteur de solutions technologiques. Mais cela nécessite d'effectuer de lourds calculs avant la fabrication de prototypes. C'est pourquoi Danielson Engineering envisage d'investir dans un cluster de calcul de 2,5 téraflops.

2,5 téraflops disponibles en propre en 2012

C'est un investissement lourd pour une PME : 100 000 euros pour un cluster de calcul de 2,5 téraflops. Pour préserver la confidentialité de ses méthodes, l'entreprise ne souhaite pas avoir recours à une plate-forme de calcul mutualisée. Afin de diversifier ses activités, elle a donc choisi de disposer de son propre supercalculateur. Le projet, en voie d'être labélisé par l'initiative HPC PME, devrait se concrétiser en 2012. Afin de le rentabiliser plus facilement, Danielson Engineering souhaite sécuriser cette ressource pour la partager avec ses partenaires du technopole de Magny-Cours. Aujourd'hui, elle dispose de trois postes de calcul offrant au total une puissance de 200 Gigaflops.

ÉVOLUTION

Depuis 2007, Danielson a multiplié par quatre sa puissance de calcul, en passant de 50 à 200 Gigaflops.

L'ENTREPRISE

DANIELSON Créée en 1977, la société Danielson est à l'origine spécialisée dans la préparation de véhicules de course. En 1996, elle se recentre sur les moteurs prototypes pour voitures de série. En 2009, elle s'organise en trois branches d'activités : services, aircraft systems et engineering. Basée à Magny-Cours Chiffre d'affaires : 10,3 millions d'euros en 2010 Effectif : 120 personnes, dont 85 pour Danielson Engineering

UN PROCÉDÉ, UN LOGICIEL

Pour simuler le fonctionnement de pièces ou d'un moteur entier, le service calcul de Danielson Engineering dispose de trois ateliers. Équipés de logiciels différents, ils correspondent aux diverses approches physiques de la conception.

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