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RÉSUMÉ
Le temps de mise sur le marché des systèmes industriels complexes, à l'instar des moteurs à combustion interne, n'a cessé de diminuer. Les essais d'endurance, longs et coûteux, sont progressivement remplacés par des simulations numériques de plus en plus fidèles à la réalité. Ces méthodologies sont de nos jours bien intégrées dans les processus de développement et, par rapport à des approches traditionnelles se basant sur des essais entachés d'erreurs, permettent un gain énorme en temps et effort. Dans ce contexte, la démarche de modéliser les composants rotatifs et fixes de moteur à combustion interne par le biais de la simulation multi-corps est détaillé dans cet article. Des conseils et des bonnes pratiques sont également proposés.
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Time to market of complex industrial systems, such as internal combustion engines, is reduced.Time consuming and expensive endurance tests are progressively replaced by numerical simulations which are more and more accurate. These methodologies are today integrated into the development processes and, in comparison with traditional approaches based on trial and error, allow to save significant time and effort. In this context, modelling procedure of rotating and static engine's components by means of multi-body simulation is detailed in this article. Advices as well as best practices are also proposed.
Auteur(s)
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Béchir MOKDAD : Ingénieur de l’École nationale d’ingénieurs de Tunis (ENIT) – Tunisie - Docteur en Mécanique, Énergétique et Ingénieries de l’Institut national polytechnique de Grenoble (INPG) – France - Responsable de groupe Calculs Mécaniques – Liebherr-Components Colmar SAS, France
INTRODUCTION
Même si les nouvelles technologies motrices, essentiellement l'énergie électrique, gagnent du terrain et attirent les investissements en Recherche et Développement après l'accord de Paris sur le climat, l’avenir des moteurs à combustion interne a encore une marge de progrès technique et un avenir commercial dans plusieurs secteurs industriels, notamment la production de l'électricité. L’insuffisance des infrastructures de recharge et de stockage ainsi que l’impact environnemental du recyclage des piles à combustibles restent des enjeux techniques majeurs pour que l'énergie électrique soit utilisée dans le cadre de l'industrie minière par exemple. Les autres énergies alternatives émergentes comme l'énergie éolienne, solaire ou géothermique sont limitées par l'intermittence et la variabilité de l'énergie produite. Elles ne peuvent donc être utilisées qu'en complément d'une autre source d'énergie. Cette diversification et complémentarité des énergies aura des conséquences importantes sur l'industrie de demain ainsi que sur les coûts d'investissements.
Issu de la succession de combustions de plusieurs cylindres, le couple généré par un moteur à combustion interne est non uniforme lors d'un cycle moteur 2-temps ou 4-temps. À ce phénomène d'acyclisme naturel s'ajoute la dynamique de ses composants majeurs comme le vilebrequin et le bloc moteur. C'est ce qui fait de ces moteurs une machine de nature vibrante. Dans l’article [BM 2 610], un choix approprié des paramètres d'architecture des moteurs à combustion interne en V afin de réduire à la source leurs différents types de vibrations a été détaillé. S'inscrivant dans une démarche d'optimisation de l'ordre d'allumage, le but de cette maîtrise dynamique est d'éviter tout vieillissement prématuré des composants et les pannes à répétition. Pour quelques situations critiques et selon l’avancement du projet, des solutions techniques ont été également proposées. Cette deuxième partie du travail explique comment la modélisation multi-corps, se basant sur la synthèse modale, représente un candidat idéal pour prédire la dynamique des moteurs à combustion interne ainsi que de leurs composants. Ceci couvre toutes les pièces, rotatives et statiques, de ces moteurs avec une représentation de plus en plus fidèle à la réalité des différentes sollicitations mécaniques. Les normes internationales en vigueur seront également mentionnées.
Le but essentiel de cet article n'est pas de présenter l'état de l'art des méthodes de sous-structuration dynamiques, mais plutôt d’initier le lecteur au principe de cette approche et d'introduire cette méthodologie dans un contexte de développement et d'évaluation vibratoire des moteurs à combustion interne. C'est dans cette idée que s'inscrit la première section, avec un rappel des notions de base de la synthèse modale. Ensuite, l'application de la sous-structuration dynamique est décrite dans un premier temps pour les pièces tournantes (attelage mobile), et pour les parties statiques (bloc moteur, échangeurs, pompes) dans un second temps. Dans les deux cas, une analyse des excitations en jeu est également expliquée.
MOTS-CLÉS
vibration moteur à combustion interne synthèse modale sous-structuration dynamique fichier modal neutre multi-corps
KEYWORDS
vibration | internal combustion engine | component modal synthesis | dynamic sub-structuring | modal neutral file | multi-body system
DOI (Digital Object Identifier)
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BIBLIOGRAPHIE
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(1) - LIGIER (J.-L.), BARON (E.) - Acyclisme et vibration : Applications aux moteurs thermiques et aux transmissions. - Paris, Institut Français du Pétrole (2002).
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(2) - AMMAR (A.), MOKDAD (B.), CHINESTA (F.), KEUNINGS (R.) - A new family of solvers for some classes of multidimensional partial differential equations encountered in kinetic theory modeling of complex fluids. - J. Non-Newtonian Fluid Mech. 139, pp. 153-176 (2006).
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(3) - AMMAR (A.), MOKDAD (B.), CHINESTA (F.), KEUNINGS (R.) - A new family of solvers for some classes of multidimensional partial differential equations encountered in kinetic theory modeling of complex fluids. Part II : Transient simulation using space-time separated representations. - J. Non-Newtonian Fluid Mech. 144, pp. 98-121 (2007).
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(4) - MOKDAD (B.), PRULIÈRE (E.), AMMAR (A.), CHINESTA (F.) - On the Simulation of Kinetic Theory Models of Complex Fluids Using the Fokker-Planck Approach. - Appl. Rheol. 17 (26494), pp. 1-14 (2007).
-
(5) - ADAMS - ADAMS/Finite Element Analysis Reference Manual...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
Aachen Colloquium on Automobile and Engine Technology
http://www.aachener-kolloquium.de/en/
Torsional Vibration Symposium
http://www.torsional-vibration-symposium.com/
Congrès CIMAC
https://www.cimaccongress.com/
HAUT DE PAGE
ISO 8528-9 ((1995, 1st edition)), Reciprocating internal combustion engine driven alternating current generating sets – Measurement and evaluation of mechanical vibration.
ISO 10816-6 ((1995)), Mechanical vibration evaluation of machines vibration by measurements on non-rotating parts – Part 6 : Reciprocating machines with power ratings above 100 kW.
CIMAC WG4 (2009) : Proposed Appendix III to UR M53, Guidance for calculation of stress concentration factors in the web fillet radii of crankshafts by utilizing finite element method.
CIMAC WG4 Crankshaft Rules :
https://www.cimac.com/working-groups/wg4-crankshaft-rules/index.html
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