Jumeau numérique pont roulant LXD/DXT
Développement d'une plateforme de Jumeau Numérique pour grues en partenariat universitaire : réduction de 40 % du cycle de développement. La plateforme de Jumeau Numérique pour grues, développée par Kelude en collaboration avec des universités, a passé avec succès la phase de validation intermédiaire, réduisant en moyenne de 40 % le cycle de développement des nouveaux produits.
La plateforme de Jumeau Numérique pour grues, développée par Kelude Industries Lourdes en collaboration avec des universités, a passé avec succès la phase de validation intermédiaire, réduisant en moyenne de 40 % le cycle de développement des nouveaux produits. Cette plateforme intègre la modélisation 3D, l'acquisition de données en temps réel et la simulation multiphysique, permettant d'effectuer dans un environnement virtuel l'évaluation des performances, la simulation des conditions de service et la prévision des défauts de la grue complète. Le processus de développement traditionnel, qui allait de la conception au prototype physique, est ainsi transformé : les essais physiques itératifs sont remplacés par une validation virtuelle en ligne.
Positionnement et architecture technique de la plateforme
La plateforme de simulation par Jumeau Numérique a été développée conjointement par Kelude Industries Lourdes, l'Université de Zhengzhou et l'Université des Sciences et Technologies du Henan. Quatorze mois ont été nécessaires pour mener à bien le développement et le déploiement de la version V1.0. La plateforme adopte une architecture en couches, composée de quatre niveaux distincts, de bas en haut : la couche équipement, la couche données, la couche modèle et la couche application. La couche équipement assure l'interface de données en temps réel avec la plateforme IoT KRUD-IoT via une passerelle double protocole OPC UA et MQTT. Elle prend en charge l'acquisition de données auprès des Automates PLC courants, notamment les Siemens S7-1200/1500, les séries Mitsubishi FX et les Automates Delta Electronics. La couche données s'appuie sur la base de données de séries temporelles open source TDengine, offrant une capacité d'écriture de plus de 100 000 points de données par seconde et un temps de réponse de requête de 15 secondes, avec une conservation de l'ensemble des données d'exploitation sur les six derniers mois. La couche modèle comprend trois sous-modules : le modèle géométrique 3D, le modèle de dynamique multicorps et le modèle d'analyse par éléments finis. Le couplage multiphysique entre la mécanique des structures, la cinématique et la thermodynamique est réalisé grâce au mappage des données entre ces modèles. La couche application offre aux ingénieurs de recherche et développement quatre fonctions principales : le test de prototype virtuel, la simulation des conditions de service, la prévision des défauts et l'évaluation des performances.
Modélisation 3D et conception paramétrique
La plateforme intègre une bibliothèque de modèles 3D paramétriques couvrant les 12 gammes de produits principales de Kelude Industries Lourdes, notamment les ponts roulants type QD, les ponts roulants à benne preneuse type QZ, les portiques type MG et les portiques monopoutre type MH. Pour concevoir un nouveau produit, l'ingénieur sélectionne le modèle dans l'interface et saisit les paramètres clés tels que la Capacité de Levage, la Portée, la Hauteur de Levage et la Classe de Fonctionnement. La plateforme génère alors automatiquement, à partir du gabarit paramétrique, l'ensemble du modèle d'assemblage 3D, incluant tous les composants : Poutre Principale, Sommier, Châssis du chariot, mécanisme de levage, armoire de commande électrique, etc. La modélisation paramétrique est développée via l'API SolidWorks. Le temps de génération du modèle, piloté par les paramètres, est réduit de 2 à 3 jours (méthode manuelle traditionnelle) à moins de 2 heures. La bibliothèque de modèles prend en charge la configuration utilisateur des composants ; les techniciens peuvent ajuster les dimensions et les matériaux des pièces à partir des gabarits pour répondre aux exigences de personnalisation non standard.
Simulation multiphysique
Le module de simulation intègre un solveur d'analyse par éléments finis, prenant en charge l'analyse statique des structures, l'analyse modale et l'évaluation de la durée de vie en fatigue des grues. L'analyse statique calcule la distribution des contraintes et des déformations de la Poutre Principale dans diverses conditions de service : Pleine charge, charge décentrée, charge de vent, etc. Elle identifie automatiquement les zones de concentration de contraintes et propose des recommandations d'optimisation structurelle. L'analyse modale calcule les six premières fréquences propres et les modes de vibration de la grue complète, puis les compare aux fréquences de fonctionnement des mécanismes de levage et de chariot afin de détecter les risques de résonance. L'évaluation de la durée de vie en fatigue s'appuie sur la courbe S-N et la théorie de l'endommagement linéaire de Miner, en utilisant le spectre de charge des conditions de service réelles pour prédire la durée de vie en fatigue de la Poutre Principale et des Cordons de Soudure critiques. La validation a été effectuée sur un portique type MG de 20 tonnes : l'écart entre les résultats du calcul par éléments finis et les données mesurées sur le prototype physique est inférieur à 3 % pour la flèche maximale à mi-portée de la Poutre Principale, et inférieur à 5 % pour la contrainte équivalente maximale du matériau, confirmant ainsi la précision du modèle de simulation.
Mapping du Jumeau Numérique
La fonction de mapping du Jumeau Numérique associe dynamiquement les données d'exploitation en temps réel des équipements en service au modèle 3D. La plateforme collecte, via le protocole OPC UA auprès de l'Automate PLC de l'équipement, 32 paramètres de fonctionnement : Hauteur de Levage, position du chariot, position du pont, Vitesse de Levage, vitesse du chariot, vitesse de translation, courant et température du Moteur, état du Frein, état des Fin de Course, etc. La période d'acquisition est de 100 ms. Le modèle 3D pilote les mouvements des mécanismes en fonction des données en temps réel, reflétant ainsi l'état de fonctionnement réel de l'équipement dans l'espace virtuel et permettant une surveillance tridimensionnelle en temps réel du processus. La latence de bout en bout du mapping du Jumeau Numérique est maintenue sous la barre des 500 ms, ce qui procure un effet quasi temps réel. Les ingénieurs peuvent rejouer l'historique des trajectoires de fonctionnement sur n'importe quelle période, analyser l'évolution de l'état de l'équipement avant et après un événement anormal, et faciliter ainsi l'identification de la cause du défaut.
Simulation des conditions de service et prévision des défauts
La plateforme prend en charge la simulation de conditions de service personnalisées. Les ingénieurs peuvent définir différents paramètres de fonctionnement dans l'environnement virtuel afin de simuler le comportement de l'équipement dans divers scénarios d'exploitation. Les paramètres réglables comprennent la charge admissible (quatre niveaux : À vide, demi-charge, Pleine charge, surcharge), la vitesse de translation (trois vitesses : lente, moyenne, rapide), la Température Ambiante (-20 ℃ à 50 ℃) et la vitesse du vent (0 à 20 m/s). La fonction de prévision des défauts peut simuler 12 types de scénarios de défauts courants, notamment la défaillance du Frein de levage, le défaut de surintensité du Variateur de Fréquence, le dysfonctionnement des Fin de Course, la rupture de fil du Câble Métallique, le blocage de la Chaîne porte-câble, etc. Elle permet de visualiser l'évolution de l'état de l'équipement et les réactions en chaîne après l'apparition du défaut. Les résultats de la prévision des défauts sont fournis sous deux formes : animation séquentielle et rapport d'analyse des données. Ils aident les équipes de conception à évaluer la pertinence des mesures de réponse aux défauts dès la phase de développement. La plateforme a récemment été utilisée lors de la revue de conception du Chariot Plat Électrique type KPC pour réaliser l'analyse prévisionnelle de 3 scénarios de défauts, ce qui a permis d'identifier et de résoudre en amont un risque de sécurité lié à la latence de réponse du Frein.
Réduction du cycle de développement
Depuis la mise en service de la plateforme de simulation par Jumeau Numérique, l'amélioration de l'efficacité du développement des produits est significative. Prenons l'exemple d'un portique monopoutre type MH nouvellement conçu. Avec le processus de développement traditionnel, il fallait compter : conception de la solution (5 jours), conception détaillée (8 jours), revue des plans (3 jours), production du prototype (18 jours), test du prototype (5 jours) et modification de la conception (3 jours), soit un cycle total d'environ 42 jours. Avec la plateforme de Jumeau Numérique, les phases de conception de la solution et de conception détaillée peuvent être validées virtuellement en parallèle. Les problèmes de conception sont détectés et corrigés directement au stade de l'ordinateur. La production de prototypes est réduite à 1 seul (au lieu de 2 à 3 itérations auparavant). Le cycle total est ramené à 26 jours, soit une économie d'environ 40 % du temps de développement. Après la finalisation du produit, les données de simulation générées par le Jumeau Numérique peuvent être directement utilisées pour la rédaction du Manuel d'utilisation et la création des supports de Formation des Opérateurs, ce qui réduit indirectement le temps de préparation de la documentation associée après le lancement du produit.
Plateforme de conception collaborative
La plateforme offre également une fonction de conception collaborative qui permet à des équipes de recherche et développement géographiquement dispersées de procéder à une revue conjointe des solutions produit dans un espace virtuel unifié. Les trois disciplines — conception mécanique, commande électrique et conception des procédés — peuvent travailler simultanément sur le même prototype numérique. Les fonctions d'annotation et de commentaire en ligne facilitent la communication interdisciplinaire et la détection des conflits de conception. Les demandes de modification issues de la revue collaborative sont automatiquement associées aux composants et aux paramètres de conception concernés, constituant ainsi un historique de modifications de conception traçable. Cette fonctionnalité a été validée dans le cadre d'un projet de portique non standard mené conjointement par Kelude Industries Lourdes et l'Université de Zhengzhou. Les deux équipes distantes ont réalisé en 6 jours ouvrés un travail de conception collaborative et de revue qui aurait nécessité 14 jours de travail en présentiel.
Feuille de route de développement
La version V2.0 de la plateforme de simulation par Jumeau Numérique est en phase de planification, avec une sortie prévue au premier semestre 2027. Les trois axes d'évolution majeurs de la V2.0 sont les suivants. Premièrement, l'ajout de capacités de simulation en dynamique des fluides, afin de prendre en charge le calcul de la distribution de la charge de vent sur la grue dans des conditions de vent fort et l'évaluation de la stabilité au vent, comblant ainsi une lacune de la version actuelle dans le domaine de l'ingénierie éolienne. Deuxièmement, l'introduction de modèles de substitution basés sur l'apprentissage automatique. L'entraînement de réseaux de neurones remplacera une partie des calculs par éléments finis les plus longs, réduisant le temps de simulation unitaire pour une analyse comparative de plusieurs solutions de quelques heures à quelques minutes. Troisièmement, l'extension du Jumeau Numérique de la phase de développement à la phase d'exploitation et de maintenance, afin d'offrir un service continu de Jumeau Numérique sur le cycle de vie complet des équipements livrés sur les sites clients. Ce service fournira aux clients une évaluation de l'état de santé de l'équipement et des recommandations de maintenance basées sur les données d'exploitation.
Questions fréquentes (FAQ)
Q : Quelle est la différence entre la plateforme de Jumeau Numérique de Kelude et les logiciels génériques de Jumeau Numérique ?
Q : Les logiciels génériques de jumeau numérique comme ANSYS Twin Builder ou Siemens Simcenter ne suffisent-ils pas ?
A : Les solutions génériques telles que ANSYS Twin Builder et Siemens Simcenter offrent des capacités de simulation étendues pour divers secteurs industriels, mais elles exigent de l'utilisateur la construction manuelle du modèle et la configuration des paramètres, ce qui requiert un niveau élevé de compétences en simulation. La plateforme de jumeau numérique de Kelude, en revanche, est un outil de simulation spécialement conçu pour les appareils de levage. Elle intègre une bibliothèque de modèles paramétriques couvrant 12 gammes de produits principales, une base de données de spectres de charge spécifiques aux grues et des bibliothèques de normes d'essai conformes aux exigences du secteur. L'ingénieur n'a qu'à saisir les paramètres de conception du produit pour générer automatiquement le modèle de simulation et exécuter les procédures d'essai standard, ce qui abaisse considérablement le seuil d'utilisation par rapport aux logiciels généralistes.
Q : Quel est l'écart entre les résultats de simulation du jumeau numérique et les essais physiques réels ?
A : Après plusieurs cycles de vérification comparative, l'écart de la plateforme en matière de simulation de mécanique des structures est maintenu sous la barre des 5 %. Cet écart provient principalement des hypothèses idéalisées sur les propriétés des matériaux (le module d'élasticité de l'acier réel présente une variation par lot de ±3 %) et de la simplification des conditions aux limites (la rigidité de la fondation réelle n'étant pas totalement équivalente à une fixation rigide idéale). La plateforme indique explicitement l'intervalle de confiance de chaque paramètre de sortie, permettant à l'ingénieur d'évaluer la fiabilité des résultats. Pour les indicateurs de sécurité critiques (tels que la contrainte maximale ou le coefficient de sécurité minimal), il est recommandé de conserver une marge de sécurité d'au moins 1,5.
Q : La plateforme de jumeau numérique est-elle également utile pour la maintenance et la modification des produits existants ?
A : Oui. La plateforme permet d'importer les paramètres de conception et les données de fonctionnement d'un produit existant pour créer son modèle de jumeau numérique. Pour les anciens produits, l'ingénieur peut simuler différentes solutions de modernisation dans l'environnement virtuel et sélectionner la plus pertinente avant de passer à la mise en œuvre sur site. Par exemple, lors d'un projet de rénovation visant à augmenter la capacité de levage d'une grue à portique de type MH existante (de 10 tonnes à 16 tonnes), l'ingénieur a d'abord validé sur la plateforme l'efficacité du renforcement de la poutre principale et de la mise à niveau du système de commande. Ce n'est qu'après avoir confirmé que la contrainte et la flèche de la poutre principale restaient dans la plage de sécurité que les travaux sur site ont été entrepris, évitant ainsi tout risque de reprise lié à une évaluation insuffisante de la solution de modernisation.
Q : Les données de la plateforme peuvent-elles servir de base à la certification des produits ?
A : Les résultats de simulation du jumeau numérique servent actuellement de référence pour la validation interne en recherche et développement ; ils ne peuvent pas se substituer à l'essai de type ni à l'inspection de surveillance des équipements spéciaux. Conformément aux exigences de la réglementation TSG Q0002 sur les règles d'essai de type des appareils de levage, tout nouveau produit doit passer avec succès l'essai de type sur prototype physique pour obtenir la licence de fabrication. La valeur ajoutée du jumeau numérique réside dans la réduction significative des itérations sur prototype physique : les défauts de conception sont détectés et corrigés dans l'environnement virtuel avant la fabrication, garantissant ainsi que le prototype physique réussisse l'essai de type du premier coup. À ce jour, deux nouveaux produits dont la conception a été optimisée via la plateforme ont passé l'essai de type réel sans nécessiter de nouvel envoi pour inspection.
