Post on 01-Oct-2015
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La Simulation Numrique du Pneumatique chez Michelin
Jean-baptiste.harry@fr.michelin.com
PLAN
Le groupe Michelin
Le pneu et ses performances
La simulation dans le processus de conception
La modlisation Elments-Finis du pneu
Le HPC et le logiciel scientifique
PLAN
Le groupe Michelin
Le pneu et ses performances
La simulation dans le processus de conception
La modlisation Elments-Finis du pneu
Le HPC et le logiciel scientifique
Prsence commerciale dans 170 pays 69 Sites de production dans 18 pays
GER M ANY (W EST)
FRANCE
Le Groupe Michelin
115 000 salaris dans le monde 184 millions de pneus en 2011 10 millions de cartes et guides
Le Groupe Michelin
Amrique du Nord
Europe
Asie
1 Centre de Technologies rparti sur 3 sites 6000 salaris en R&D
Le Groupe Michelin
Un portefeuille de marques
Objectifs :
. SATISFAIRE LARGEMENT LES BESOINS
. DVELOPPER LES VOLUMES
Le Groupe Michelin
March mondial du pneu sur 2011
14.8%
16,1%
11.2%
Michelin
Bridgestone
Goodyear (+Dunlop) Sumitomo
Continental
Pirelli
Yokohama
Cooper
Hankook
Toyo
Kumho
Acteurs de petite taille : 30.0%
(une centaine) Production : 194 millions pneus
CA consolid : 15.7 Md Euro
Le Groupe Michelin
Acteurs de taille moyenne : 27.9% Sumitomo
Continental
Pirelli
Yokohama
Cooper
Hankook
Toyo
Kumho
PPrr
CCAA14.8%
MichelinPP
CC
March du pneu
Un march hautement concurrentiel
Un march mondial
Un march en forte croissance
Trs grande varit de produits / dclinaisons (6000 types)
Plus dun milliard de pneus vendus chaque anne
100 milliards deuros gnrs chaque anne
Le Groupe Michelin
PLAN
Le groupe Michelin
Le pneu ; ses performances
La simulation dans le processus de conception
La modlisation Elments-Finis du pneu
Les sujets de recherche actuels en mcanique numrique du pneu
Le pneu ; ses performances
Le pneu ? ou les pneus ?
Le pneu ; ses performances
2 Roues
Vitesse max > 300km/h
50 cm au sol par pneu
Angle carrossage > 40
Le pneu ; ses performances
Automobiles Grande diversit
dutilisations :
Sec / mouill / neige
/ boue / glace
Le pneu ; ses performances
Poids lourds
Sol sec/mouill/neige/glace
Forte charge : qq tonnes
Vitesse : 100 / 130 km/h
Le pneu ; ses performances
Agricole
Sol meuble.
Faible vitesse
Faible pression
Le pneu ; ses performances
Gnie civil Le plus gros : 5.6T, 4m de diamtre
Trs forte charge
Sols agressifs
Usage intensif (24/24)
Le pneu ; ses performances
Aronautique
Petite taille, petit poids
Charge trs leve
Vitesse trs leve
Monte en temp. rapide
: 21 pouces, 93 Kg
: 20.5 bar
: 64545 kg/pneu
: 416 km/h
Une seule utilisation
Le pneu ; ses performances
Le pneu ou les pneus ?
Les pneus ! l Derrire un aspect banal, les contraintes et les conditions
dutilisation imposes aux diffrents types de pneus en font
autant de produits trs diffrents, dont la conception, dans
les cas les plus extrmes, correspond un rel dfi
technologique.
Le pneu ; ses performances
Les pneus : Des objets complexes
Le pneu ; ses performances
Structure du pneu
Structure composite hautement dformable.
Jusqu plusieurs dizaines de constituants
l Gommes.
l Nappes renforces.
l Tringles.
Chaque constituant ayant un rle fonctionnel bien dfini.
Le pneu ; ses performances
Structure du pneu
Flanc
gomme
Nappes sommet
Composite : gomme + acier
Nappe carcasse
Composite : gomme + acier
ou gomme + textile
Tringle
acier
Bande de roulement
gomme
Gomme Intrieure
Gomme
Le pneu ; ses performances
Fonctions dun pneu
Porter Guider Transmettre des couples
Amortir
Le pneu ; ses performances
Performances du pneu
Le pneu ; ses performances
Adhrence
Longitudinale (couple moteur/freineur)
Transversale (virage)
Route sche / mouille
(+ hydroplanage)
Usure
Perte de matire
dans la bande de
roulement
Pneus Tourisme/ PL
Endurance
Fin de vie prmature cause par
agressions extrieures)
Rsistance au
roulement
Dissipation dnergie induite par le
roulage
Participe la consommation de
carburant (20% en VL, 30% en PL)
(chocs trottoir, objets
acrs, humidit)
Haute vitesse (VLI)
Bruit/Confort
Bruit arien et solidien
Audible (HF) / ressenti (BF)
Comportement
Comportement vhicule
sur/sous-vireur,
vivacit/prcision du guidage,
Plaisir de conduite
Les performances sont antagonistes
On cherche dcaler un
compromis de performance
PLAN
Le groupe Michelin
Le pneu et ses performances
La simulation dans le processus de conception
La modlisation lments-finis du pneu
Les sujets de recherche actuels en mcanique numrique
du pneu
La simulation dans le processus de conception
Conception du pneu l BUT : Concevoir une solution produit intgrant toutes les
performances requises (usure, adhrence, bruit,...)
Endurance
0
25
50
75
100
125
150
Adhrence
Rsistance au roulement
Comportement
Confort
Bruit
Apparence
Rechapabilit
Prix de revient
Usure
Pneu rfrence Cible Marketing
l Le cahier des charges sexprime
en termes de performances relatives un pneu existant :
R
l Processus long, coteux et complexe : Fortement contraint : Recherche de compromis
entre des performances antagonistes
La simulation dans le processus de conception
Boucles de conception
Classification des
variantes par
simulation
Fabrication
du prototype
(toute petite srie)
Tests machines et pistes
Cible
atteinte ? non
oui
industrialisation
Scnarios de
conception
Simulation procd +
dclinaisons de gammes Pr-sries et
Placement en clientle
La simulation dans le processus de conception
PLAN
Le groupe Michelin
Le pneu et ses performances
La simulation dans le processus de conception
La modlisation lments-finis du pneu
Le HPC et le logiciel scientifique
La modlisation Elements-Finis du pneu
La modlisation lments-finis du pneu Est indispensable pour :
l Comprendre la thermo-mcanique du pneu
l Classer les variantes envisages par rapport aux performances dfinis
Elle permet :
l dacclrer le cycle de conception et rduire son cot (moins de tests)
l amliorer les procds
l amliorer la pertinence des tests rels
Est base sur un code lments-finis interne
Est particulirement dlicate raliser
La modlisation lments-finis du pneu
Un problme de mcanique numrique complexe
l De nombreuses sources de non linarits et faible rgularit du problme
l De nombreuses sources de mauvais conditionnement
l Des matriaux complexes
l Une physique multi-chelle et riche dans une gomtrie complexe
l Des attentes exigeantes en terme de :
l Prcision (pression de contact, tension cble, nergie dissipe, )
l Robustesse, efficacit de calcul, ergonomie
Un problme de mcanique numrique qui peut/doit encore
progresser
PLAN
Le groupe Michelin
Le pneu et ses performances
La simulation dans le processus de conception
La modlisation lments-finis du pneu
Le HPC et le logiciel scientifique
Historique et approche du calcul Michelin
Des le dbut des annes 80:
l Par des petits codes de calcul / chaine dvelopp en interne.
l Des machines de calcul Cray et des PC.
Dans les annes 90:
l Des PC et des stations de calcul HP
l un solveur dvelopp en interne (en fortran) toujours utilis
A partir des annes 2005:
l Dbut de laire des clusters actuels :achat dun cluster tous les ans.
l Dveloppement dun nouveau code de calcul en C++ : indispensable pour le
paralllisme, ladaptation de maillage en parallle
Approche du paralllisme 1
Un calcul : suite dassemblages O(n) et de rsolutions O(n2)
Solveurs algbriques => clef de la performance en mcanique
des solides (BCS, MUMPS, Pardiso, Pastix, FETI )
l Solveurs directs : robuste mais consommation mmoire et scalabilit limit
l Solveur itratifs (FETI) : -scalabilit importante.
-consommation mmoire maitris.
-difficult de convergence sur des milieux
htrognes complexes (stade recherche).
l Le temps dassemblage est beaucoup moins pnalisant quen Mcanique des
fluides et plus le cas augmente en taille moins il le devient.
Approche du paralllisme 2
On dissocie le paralllisme dassemblage et de rsolution.
Assemblage squentiel Rsolution
Parallle
Assemblage parallle
avec dcoupage intelligent
+ parties squentielles
Rsolution
Parallle
Assemblage parallle
avec dcoupage intelligent
Rsolution
Parallle
Assemblage parallle Rsolution
Parallle
1
2
3
4 Performance de calcul
baisse conso mmoire
Nombre de
fonctionnalits
disponibles
Approche du paralllisme 2
On dissocie le paralllisme dassemblage et de rsolution.
Assemblage squentiel Rsolution
Parallle
Assemblage parallle
avec dcoupage intelligent
+ parties squentielles
Rsolution
Parallle
Assemblage parallle
avec dcoupage intelligent
Rsolution
Parallle
Assemblage squentiel Rsolution
Parallle
1
2
3
4 Performance de calcul
baisse conso mmoire
Niveau de fonctionnalits
disponibles important
BUT: optimisation du service rendu
Cette approche multi niveau dans le paralllisme permet de rendre les
fonctionnalits plus rapidement disponibles avec un maximum de performance de
calcul.
Le logiciel scientifique Michelin
Une activit aux interfaces multiples:
l Avec les Systmes dInformation (dev logiciel, Catia, infrastructures, gestion
des ressources de calcul)
l Avec le monde de la production : usines, concepteurs machines
l Avec les quipes matriaux et conception pneu.
Difficults :
l Grer les interfaces.
l Faire le travail de fond (qualit logiciel, architecture des codes, refactoring
l Faire du logiciel scientifique avec des processus industriels et/ou SI.
Conclusion
La simulation du pneu chez Michelin est au cur du
processus de conception et de la dmarche dinnovation
Beaucoup dinteractions entre les quipes numrique, physique de la performance, matriau et concepteurs
Beaucoup de collaborations universitaires sur un primtre
mondial
Le HPC est devenu indispensable dun point de vue scientifique et conomique: En 2014 on a plus que doubl notre puissance de calcul. De nouveaux problmes se posent nous au niveau du
schedulling pour rendre ces ressources disponible au mieux.
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Questions ? Ou suite , prsentation de sujets de recherches
en mcanique numrique
Jean-baptiste.harry@fr.michelin.com
Ou su
Conception pneu cru Fabrication
du Pneu Cru
Fabrication du Moule
Conception Moule
Conception pneu cuit
Conception Sculpture
pSculpture
De la conception la fabrication
Ouverture de la presse
Simulation du procd de fabrication
La simulation dans le processus de conception
Sur machine :
Mesures pneus statiques et dynamiques :
w 75 000 pneus mesurs / an
Tests dendurance : w 325 000 000 Kms / an w 11 000 pneus mesurs / an
Tests
La simulation dans le processus de conception
Sur piste :
Tests subjectifs et objectifs : w 37 000 valuations / an
Tests dusure et dendurance : w Tests analytiques : 30 millions Kms / an w Tests statistiques : 1,8 milliard Kms / an
Tests
La simulation dans le processus de conception
Les sujets de recherche actuels en mcanique
numrique du pneu Modles matriau avancs :
Mthodes dhomognisation :
Gommes bulles Lois nappes (textile) Lois cble (multi-fils, )
Modles lasto-visco-plastiques orthotropes pour les gommes (crues et cuites)
Modles enrichis flexion (lments coques, )
= +
Les sujets de recherche actuels en mcanique
numrique du pneu Modles matriau avancs :
Exemple modlisation de la flexion
Amliore le rendu sous sollicitation transversale
Cl pour la prdiction de ladhrence transverse.
-150 -100 -50 0 50 100 150-150
-100
-50
0
50
100
150
50Dz742
secto2
mu11pression contact z
largeur
l
o
n
g
u
e
u
r
0
0.05
0.1
Les sujets de recherche actuels en mcanique
numrique du pneu Modlisation de lendommagement :
Modle de propagation de fissure
Incrustation de fissures dans le maillage
Critre de fissuration, mthodo de couplage local/global
(dtermination cycles de dformation, )
Les sujets de recherche actuels en mcanique
numrique du pneu Contact et trs grandes dformations pour la prdiction de lendurance
Elments enrichis pour le traitement de lincompressibilit
Schmas instationnaires
explicites pour calculs dimpacts
Traitement du contact : Elments mortier, pr-dtection,
Les sujets de recherche actuels en mcanique
numrique du pneu Modlisation du contact pour ladhrence :
Modle de contact gomme/gomme avec frottement
Sols rugueux et mthodes multi-
chelles (couplage micro/macro)
Thermique de surface instationnaire
d
0
Les sujets de recherche actuels en mcanique
numrique du pneu Efficacit de rsolution :
Paralllisation des calculs / dcomposition de domaine / HPC (High Performance Computation)
Solveurs algbriques (directs / itratifs) Pr-conditionneurs
Mthodes robustes de rsolution non-linaire
Mthode de recollement de maillages incompatibles Adaptation de maillage ; Elments tetra
Les sujets de recherche actuels en mcanique
numrique du pneu Autres :
Modlisation du bruit
Hydroplanage : couplage fluide/structure
Sensibilit, fiabilit, Optimisation de paramtres de conception Mesure non destructive et
reconstruction 3d
-300
-200
-100
0
100
200
300
-400-200
0200
400600
-300
-200
-100
0
100
200
X
Y
1 Reconstruction OBJET " 24 courbes"
Z
La simulation dans le processus de conception
Gonflage
Confort
Bruit
Usure
Rsistance Roulement
La simulation dans le processus de conception
But :
prdire la performance perue par lutilisateur final en conditions relles,
mesure par un constructeur ou test rglementaire
Tests/Mesures variantes en
situation idalise ou relle
Mthodes de simulation pour
lvaluation de la perfo. :
But : classer les variantes
Critre substitutif
perfo. Scnario de
calcul
Outils de calcul
La simulation dans le processus de conception
l Simulation du montage/gonflage : Analyse monte sommet : recherche dun profil plat Prdiction des dimensions de la boite englobante (norme ETRTO) Calculs par lments finis :
l Statiques,
l Axi-symtriques.
La simulation dans le processus de conception
Modes
radiaux
RO R1 R2
TO T1 T2
Modes
transverses
La simulation dans le processus de conception
l Confort : Simuler et optimiser les modes de vibration du pneu. Calcul par lments finis : Modes propres.
La simulation dans le processus de conception
Pneu mono pas Squence redondante Arrangement calcul
Sirnement Battement Bruit blanc
p q g
La simulation dans le processus de conception l Bruit :
Caractriser le bruit gnr par le squencement des motifs gomtriques de la sculpture.
Simulation modle simplifi (non lments-finis)
La simulation dans le processus de conception
Rsistance au roulement (RR) :
l Part de la RR dans la consommation :
20% (VL) - 30% (PL) de la consommation !
l Rduction de la rsistance au roulement = Rduction sensible de la consommation.
l Contribution principale : pertes visco-lastiques = f(dformation)
l Proprits visco des gommes (rhologie)
l Chaque cycle de dformation (tour de roue) dissipe de lnergie
l Dpend fortement de la frquence et de la temprature
l Contribution secondaire : frottement dans laire de contact
La simulation dans le processus de conception
La simulation dans le processus de conception
Champ de temprature
Pression Interne
Calcul Mcanique
(Roulage Stationnaire axi-3D)
Cycles de dformation
Calcul thermique
Lois
hyper-lastiques Conditions aux limites
mcaniques
Lois dchange
thermique
Lois
visco-lastiques
Conditions aux limites
thermiques
Calcul de la dissipation
Sources 2d-axi
l Prdiction de la Rsistance au Roulement : exemple de scnario de calcul Simulation lments-finis multiphysique : Couplage thermo-mcanique (couplage faible point fixe)
rdiction de la Rsistance au Roulement : exemple de scnario de calcul
La simulation dans le processus de conception
Rsistance au
Roulement
La simulation dans le processus de conception
La simulation dans le processus de conception
l Usure : Calculer la cintique dusure dune sculpture pour prdire
l la Dure de Vie
l lvolution de la forme dUsure
Simulation lments-finis multiphysique.
Calcul mcanique
Quasi-statique local/global
Champ de pression de contact
Champ de vitesses de glissement
Lois de comportement
(hyperlastique)
Gomtrie / Maillage
Conditions aux limites
mcaniques
Loi drosion Calcul vitesse dusure
instantane
La simulation dans le processus de conception
Mesure Calcule
Carte dUsure
La simulation dans le processus de conception
Le tweel
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