Michelin SimulationNumerique

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1 La Simulation Numérique du Pneumatique chez Michelin [email protected]

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  • 1

    La Simulation Numrique du Pneumatique chez Michelin

    [email protected]

  • 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.

  • 41

    Questions ? Ou suite , prsentation de sujets de recherches

    en mcanique numrique

    [email protected]

    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

    60