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Mercedes en pole position de la simulation

Julien Bergounhoux
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Mercedes en pole position de la simulation

Discipline reine des sports mécaniques, la F1 est soumise à des règles très strictes. Pour améliorer les performances de ses voitures, l’écurie allemande fait appel aux technologies numériques.

Actuellement en deuxième position du classement des constructeurs au championnat du monde de Formule 1, Mercedes-AMG Petronas fait partie des écuries favorites, elle qui enchaîne les victoires depuis 2014. Un succès qu’elle doit, bien sûr, à ses pilotes, Lewis Hamilton et Valtteri Bottas. Mais pas seulement. Elle peut aussi compter sur ses équipes techniques qui ont développé, au fil des compétitions, des capacités de simulation et d’analyse des données hors pair afin de repousser les limites de ses monoplaces.

Discipline reine des sports mécaniques, la F1 est en effet soumise à des règles très strictes concernant la puissance du moteur, la taille et le poids des voitures, la configuration des carrosseries, mais aussi le nombre d’essais sur piste ou le temps de préparation… Face à ces nombreuses contraintes, les constructeurs n’ont pas d’autre choix que de faire appel aux technologies numériques pour concevoir et optimiser leurs voitures. Ils ont ainsi recours à des simulateurs de conduite – Mercedes en possède trois –, mais aussi à la mécanique des fluides numérique (computational fluid dynamics) et aux tests d’aérodynamique en soufflerie sur des modèles réduits.

Tous les résultats obtenus à l’aide de ces outils sont corrélés aux données issues des courses et des essais sur piste. Les performances réelles de chaque version de la voiture sont comparées aux performances des simulations.

Des doubles numériques, mais pas des jumeaux

« Nous avons des modèles numériques vivants, explique Geoff Willis, le directeur de la technologie chez Mercedes-AMG Petronas. Certains sont simplement alimentés par les données issues des interactions avec le monde réel, comme les kilomètres parcourus, le poids ou les cycles de fonctionnement. Nous les associons aux données liées aux pièces critiques pour savoir dans quelle voiture ces pièces ont été, pendant quelle course, si elles ont connu des surcharges. Bref, tout ce qui peut nous intéresser. Nous avons également des modèles plus intelligents pour les unités de puissance et les boîtes de vitesses. Ils sont mis à jour en fonction de l’usage auquel sont soumis ces composants. Cela nous permet de connaître en temps réel leur niveau d’usure. Ce sont de vrais doubles numériques. »

Des doubles numériques de chaque pièce de la voiture, mais pas de jumeau numérique de la voiture à proprement parler. « Nous disposons des composants et des technologies nécessaires pour en créer un, mais pour l’instant, nous procédons par spécialité, détaille le directeur de la technologie. Ce sont nos besoins qui motivent nos décisions, et s’il devient nécessaire de créer un jumeau numérique, nous le ferons. » Cela ne sera pas aisé. « La voiture en elle-même est une structure dynamique. Prenons nos châssis par exemple : nous n’en avons que cinq, mais ils sont fabriqués avec d’autres composants, les commandes de pilotage, les boîtes de vitesses… Ces éléments-là changent très souvent. Il est donc difficile de n’avoir qu’un jumeau numérique. »

Aérodynamique et pneumatiques, des défis pour la simulation

La simulation est aujourd’hui très proche des conditions réelles. Mais il existe deux domaines de la F1 où des écarts persistent : l’aérodynamique et les pneumatiques. Pour le premier, « nous avons trois sources d’information : les modèles réduits utilisés dans les souffleries, la mécanique des fluides numérique et les données collectées lors des essais en conditions réelles », commente Geoff Willis. La soufflerie permet de réaliser des mesures très précises à partir d’un modèle, mais dans des conditions particulières : le vent souffle de façon continue et à un angle prédéfini. En revanche, les essais sur piste produisent des informations en conditions réelles, mais qui ne peuvent pas être mesurées précisément et sont sujettes à de nombreuses variables. Enfin, la mécanique des fluides numérique est très précise, mais limitée par la taille du problème à résoudre, ce qui contraint les ingénieurs à faire des approximations dans la physique de la simulation.

Les pneumatiques, quant à eux, nécessitent des modèles thermodynamiques très sophistiqués, qui doivent prendre en compte la voiture, le type de gomme, les variations de température dans le pneu, l’interaction avec la piste, qui est à la fois mécanique et chimique. « Nous sommes capables d’en prédire une grande partie, hormis les détails les plus fins de l’interaction entre le caoutchouc et le macadam, détaille Geoff Willis. Nous utilisons les essais sur piste pour combler les variables inconnues de notre modèle. Dès que nous déterminons, pour un jour donné, les caractéristiques de la piste et les conditions météorologiques, nous pouvons réaliser des prédictions très précises,[…]

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