Logiciel d'analyse de chargement et de fatigue pour gagner 90% de temps de développement

Un arrêt imprévu de plus de 300 heures - un scénario affreux pour les exploitants d’installations éoliennes, qui peuvent être évitées seulement par une interaction parfaite entre la conception des éoliennes, les intervalles de maintenance programmés d’une manière optimale et la prise en compte de la tenue en fatigue des matériaux soumis aux différentes sollicitations existantes.

Mais comment peut-on prévoir de manière fiable, la prédisposition à fonctionner d’une éolienne sur 20 ans par exemple? Seul un logiciel spécial d’analyse de chargement et de fatigue peut aider les concepteurs dans leur travail à améliorer la robustesse et la rentabilité.

La demande en énergie éolienne est en constante croissance. A elle seule, Allemagne doit fournir une puissance de 25.000 mégawatts à partir des parcs Offshore d’ici 2030. Mais dans de nombreux autres pays, cette énergie propre et recyclable gagne aussi du terrain. C’est particulièrement visible aux Etats-Unis où on a constaté en 2007 une augmentation de 45% de l’énergie éolienne par rapport à l’année précédente. En aout 2009, la Chine a annoncé une expansion massive de l'énergie éolienne. Le monde entier prévoit de produire 100.000 mégawatts à partir de telles installations d’ici 2020.

Un arrêt imprévu de plus de 300 heures

Il devient évident que cette nouvelle politique sur l’énergie impose des exigences de plus en plus grandes sur les matériaux employés, en particulier sur les rotors des éoliennes. L'indisponibilité d'une éolienne signifie alors des coûts d’arrêt très élevés qui dans le cas d’une installation offshore peuvent rapidement devenir un facteur critique car les coûts d’intervention sont extrêmement importants dans ce cas. L’étude ’’Reliability of Different Wind Turbine Concepts with Relevance to Offshore Application’’ sur la fiabilité des différents concepts d’éolienne destinées aux applications en mer, publiée lors de la Conférence Européenne sur l’Energie Eolienne (European Wind Energy Conference (EWEC)) de 2008 a démontré que, par exemple, les problèmes liés au système d’entrainement du rotor sur une éolienne pourraient occasionner un temps d’arrêt d'environ 300 heures.

Augmentation des exigences des matériaux

D’une manière générale, il existe la nécessité de réaliser des matériaux résistants, mais on constate également sur des nouvelles machines, qui produisent plus de 2 Mégawatts, l’apparition de problèmes inattendus. Cela est du pour l’essentiel à un poids croissant. Le Rotor pese normalement entre 10 et 20 tonnes. Pour une nouvelle machine ce poids peut monter jusqu’à 50 tonnes. Le défit majeur est alors d’économiser un maximum de poids et dans le même temps d’augmenter la solidité et la fiabilité.

Les modèles de dégâts cumulés sont la clé de l’optimisation de la construction. Il faut tenir également compte d’autres arrêts d’urgence, comme ceux définis dans la norme ISO-IEC 61400 et aussi prendre en compte les influences des systèmes de contrôle, ceux-ci pouvant introduire des exigences supplémentaires qui peuvent dépasser de manière significative les charges maximales admissibles lors du fonctionnement quotidien.

Ces exigences devront être intégrées avec celles dues à l’état de dégradation issue de l’usure actuelle de fonctionnement en continu de l’installation. En effet, un arrêt d’urgence peut naturellement avoir une toute autre influence sur une installation qui vient juste d’être mise en fonction que sur une autre en service depuis plusieurs années.  Ces modèles d’accumulation des dégâts, que l’installation doit surmonter théoriquement pendant plus de vingt ans, permettent l’estimation d’une construction optimale et la déduction des intervalles de maintenance idéale.

Analyse de fatigue sur composants de boite de vitesses

Ces conclusions ne peuvent naturellement pas être établies à partir d’un essai de longue durée réalisé sur les 20 dernières années. La seule solution valable ici est d’utiliser un logiciel spécialisé dans les analyses de fatigue et de chargement qui permettront de prendre les bonnes décisions pendant toute la phase de développement. C'est pourquoi, les Transmissions Hansen, leader parmi les fabricants de boites de vitesse pour les éoliennes, utilise le logiciel DesignLife™ de HBM nCode, pour toutes les analyses de fatigue sur les boites de vitesse de manière à répondre aux exigences les plus élevées imposées sur la durée de vie des éoliennes.

Rentabilité améliorée

Hansen Transmissions a pu immédiatement optimiser leurs analyses de fatigue et de chargement. Grâce à cette aide logicielle, les ingénieurs ont pu calculer des variantes de conception plus nombreuses en moins de temps tout en réduisant nettement les cycles de développement et d'essais. Ils ont ainsi réduit rigoureusement les coûts. D’autant plus que ce logiciel fonctionne sans aucun problème avec le logiciel ANSYS® qui permet les analyses par éléments finis.

Scénarios complexes de chargement

Avant de se décider à travailler avec DesignLife, Hansen Transmission a effectué comparaison entre de nombreuses solutions logicielles en termes de performances. Dr. W. Meeusen, chef du service développement produits chez Hansen a dit : " Nous avons choisi DesignLife parce qu'il combine une interface utilisateur intuitive avec des fonctions d'analyse dont nous avons besoin pour les machines tournantes mais dispose aussi d’une  capacité d'utiliser des cas de chargement complexes. Les développeurs nCode ont travaillé avec nous pendant la totalité de l'évaluation, s'assurant que la solution DesignLife satisfasse nos besoins."

Parfaitement adapté à l'application

Jon Aldred, chef du produit DesignLife chez HBM nCode: « L'énergie éolienne a été rapidement un marché en plein essor pour les produits nCode car la notion de durabilité est la principale clef dans la conception des éoliennes et des systèmes équivalents. Les accidents occasionnés par la fatigue sont sources de coûts élevés, à la fois en termes de réparation mais aussi en perte de production. Que les transmissions Hansen ait décidées d'utiliser DesignLife pour  concevoir de façon optimale leurs principaux composants pendant leur développement montre bien que DesignLife est très bien adapté à de telles applications. »

Voici un aperçu des solutions logicielles de HBM qui peuvent augmenter l'efficacité et diminuer les coûts:

nCode DesignLife - Analyses de durée de vie pendant le développement

nCode DesignLife est le logiciel dédié à l'analyse de durée de vie. nCode DesignLife exploite les résultats de la modélisation par éléments finis (FEM) ainsi que les résultats d’essais de durabilité des structures pour prédire la durée de vie d’un produit pendant son propre développement. De nombreux scénarios de chargement peuvent ici être pris en considération, par exemple, les différentes forces exercées par le vent ou les événements uniques ou rares comme les arrêts d’urgence et ce pendant les 20 années entières de fonctionnement permanent. En raison d’un processus profilé d'analyse, les clients bénéficient d’un gain de temps de développement jusqu'à 90% en travaillant avec DesignLife.

nCode GlyphWorks® - Analyse de données d'essais

nCode GlyphWorks est le principal logiciel pour l'analyse de données d'essais. GlyphWorks traite de grandes quantités de données et offre une interface utilisateur graphique orientée process.

nCode Automation - Surveillance

nCode Automation fournit un système construit sur la base du WEB pour faire les analyses et partager des données mesurées. Les données de surveillance peuvent être automatiquement téléchargées et traitées, celles-ci peuvent aider à déterminer des tendances et permettre de définir des chargements réels de fonctionnement que peut subir une éolienne dans le monde. Les équipes de conception peuvent alors accéder facilement aux données rassemblées qui pourront également alimenter une base pour de nouveaux développements.

Essais de fonctionnement sur les éoliennes avec des capteurs de couple

Lorsque l’on veut également surveiller en continu l’efficience d’une transmission de puissance du moteur à la boite de vitesse, il est recommandé de mettre en place un capteur de couple. Cette démarche de mesure a été réalisée par Siemens Ltd. Chine lors d’essais de fonctionnement sur l’ensemble rotor - boites de vitesse des éoliennes. La mise en place d’un capteur T10FM pour la mesure de couples jusqu'à 50 KNm a permis de démontrer la faible perte de puissance dans la transmission à la boite de vitesse à partir de l’analyse des données de mesure enregistrées. Le T10FM est installé directement entre le moteur et la boite, en effet de par sa conception le rendant insensible aux efforts latéraux même élevés il est possible de le monter ainsi. L'amplificateur MP60DP dirige les signaux de mesure sans aucune perte grâce au bus de terrain Profibus vers un PC qui traitera les données avec un logiciel approprié.

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