Utiliser l'ingénierie des systèmes basée sur des modèles pour adopter une nouvelle approche du développement virtuel des NVH

Repenser le bruit de la route

Depuis sa création en 1967, Hyundai Motor Group (HMG) s'est engagé à s'améliorer constamment. L'entreprise a été pionnière dans de nombreuses technologies automobiles et est aujourd'hui considérée comme un leader dans l'avenir de la mobilité. Cet esprit touche tous les aspects de l'activité de HMG, de la vision de l'entreprise en matière d'électrification à sa fiabilité de pointe. Il explique également l'engagement de HMG à réduire le bruit de la route au sein de ses véhicules.

Les équipementiers tentent de réduire le bruit de la route depuis des décennies, et l'importance croissante des véhicules électriques n'a fait qu'intensifier cet effort. Dans le cadre de son engagement en faveur d'une amélioration constante, HMG a décidé de repenser son approche du bruit de la route dans tous ses véhicules, car ce changement incluait la transition vers une stratégie d'architecture modulaire intégrée (IMA). Cette dernière permet aux équipementiers de réduire les coûts de développement en utilisant la même pièce dans plusieurs modèles de véhicules. Cette approche est particulièrement efficace pour les véhicules électriques, car les batteries peuvent être développées pour s'adapter de manière flexible à n'importe quel modèle de véhicule. Pour faire face aux nouvelles complexités présentées par l'IMA, HMG a cherché à intégrer les données, à fournir une infrastructure appropriée et à étendre le développement virtuel.

Les ingénieurs de HMG sont à l'avant-garde du MBSE basé sur les données d'essai pour le bruit de la route sur l'ensemble du véhicule.

Plus qu'un simple fournisseur de logiciels

L'objectif de HMG est de devenir le premier fabricant de véhicules électriques au monde. Pour ce faire, il doit accroître l'efficacité et réduire les coûts de ses programmes de véhicules tout en respectant les objectifs de performance en matière de bruit routier.

Cela a conduit HMG à former un partenariat stratégique avec les services d'ingénierie et de conseil Simcenter™ afin de réduire le bruit de la route au sein de ses véhicules. Depuis 2019, les deux groupes travaillent en étroite collaboration pour développer des véhicules de haute qualité offrant des niveaux sonores optimaux. Simcenter fait partie de la plateforme Siemens Xcelerator, qui comprend des logiciels, du matériel et des services.

Les ingénieurs de HMG savaient qu'ils avaient besoin d'une solution commerciale pour équilibrer la précision et la rapidité de leur processus de développement afin d'optimiser le bruit de la route. Ils savaient également que le développement virtuel serait crucial au cours des premières phases, mais ils voulaient garantir la meilleure précision possible des simulations en incorporant des données d'essai.

La stratégie en trois volets de HMG pour la transformation numérique.

"Il y a trois ans, nous nous sommes donnés pour mission de définir le rôle de l'ingénieur d'essai dans l'environnement de développement virtuel", explique Sangyoung Park, ingénieur de recherche senior chez HMG. "Nous avons commencé par nous concentrer sur le développement de modèles d'essai compatibles avec nos modèles de simulation. Cependant, j'ai rencontré des obstacles importants lorsque j'ai tenté de créer des modèles d'essai parfaitement compatibles. C'est pourquoi j'ai fait appel aux services d'ingénierie et de conseil Simcenter."

"Nous avons choisi Simcenter Engineering parce que nous savions qu'il pouvait nous aider à transformer notre vision en une feuille de route réaliste et réalisable pour la mise en œuvre", poursuit le Dr Jaehoon Jeong, ingénieur de recherche senior chez HMG. "L'équipe a développé des méthodologies et une expérience éprouvées en matière d'intégration du matériel et des logiciels afin de parvenir à un équilibre entre l'application pratique et le progrès technologique."

Cela a particulièrement bien fonctionné car HMG utilisait déjà le portefeuille d'outils Simcenter, de sorte que M. Park et M. Jeong n'ont pas eu besoin d'investir dans de nouvelles solutions, de les apprendre et de les mettre en œuvre.

"Nous avons réalisé que les technologies d'essai et de simulation pouvaient être combinées afin de créer un jumeau numérique plus crédible", explique M. Park. "Nous parlons de MBSE basé sur les données d'essai. Nous avons choisi Simcenter Engineering pour nous aider à élaborer des modèles d'essai représentatifs, compatibles et crédibles, qui contribuent également à la meilleure précision possible."

Par conséquent, HMG et Simcenter Engineering se sont engagés dans un projet en plusieurs phases s'étalant sur plusieurs années.

MBSE de HMG basé sur les données d'essai pour la création de modèles d'essai pour le développement virtuel.

Charges invariantes du pneu

Les ingénieurs de Simcenter ont collaboré avec l'équipe HMG pour appliquer la technologie d'analyse de trajectoires de transfert (TPA) basée sur les composants au niveau des roues, afin de déterminer les charges invariantes au centre des roues. Ces charges invariantes, parfois appelées forces bloquées, dépendent uniquement des roues, qui sont invariantes par rapport à la structure réceptrice.

Ces charges permettraient à l'équipe de mieux comprendre le comportement d'un composant et de partager avec ses fournisseurs des objectifs clairs en matière de composants et des informations supplémentaires dès le début de la phase de développement. En outre, grâce à l'assemblage de prototypes virtuels (VPA) Simcenter, les charges invariantes définies par les roues ont pu être utilisées avec des variantes d'assemblage de véhicules virtuels pour prédire et évaluer les performances en matière de bruit de la route, ce qui reflète le souhait de HMG d'utiliser un MBSE basé sur les données d'essai à chaque étape de son développement.

Pour appliquer les charges invariantes dans les processus de développement de HMG, M. Park et l'équipe d'ingénierie de Simcenter ont dû déterminer comment les invariants sont des charges identifiées expérimentalement qui sont évaluées sur le pneu, si la théorie est applicable dans la pratique et dans quelle mesure ils peuvent prédire les performances du véhicule en matière de bruit de la route.

L'équipe d'ingénieurs de Simcenter a travaillé avec HMG pour valider la méthode TPA basée sur les composants sur le pneu. Les équipes ont pu démontrer que l'approche pouvait fonctionner avec le processus actuel d'évaluation du bruit de la route suivi par HMG.

Étude des charges invariantes au niveau de la roue.

Une réussite historique : la modélisation de la suspension basée sur les tests

Lors de la phase précédente, le système ne comportait que deux éléments : le pneu en tant que source et le reste du véhicule, y compris la carrosserie et la suspension, en tant que récepteur.

Au cours de la phase suivante, les équipes de Simcenter Engineering et de HMG ont divisé la structure de réception en deux parties, la suspension et la carrosserie, avec le support entre les deux. Tous les composants ont été caractérisés expérimentalement pour permettre aux ingénieurs d'élaborer ultérieurement des modèles afin de réaliser un assemblage virtuel du véhicule complet.

Cette phase a été particulièrement importante en raison de l'électrification de l'industrie automobile. Cette transition a conduit à ce que le bruit du groupe motopropulseur, de la route et du vent devienne le principal facteur de bruit à l'intérieur du véhicule.

La TPA basée sur les composants est une méthode efficace pour permettre la caractérisation individuelle des sous-structures à assembler dans un véhicule virtuel, ce qui permet aux concepteurs de systèmes de passer d'une conception à l'autre et de gérer la complexité accrue du produit et le nombre croissant de variantes de véhicules.

Cependant, l'un des principaux défis de la TPA basée sur les composants est de représenter avec précision le sous-système dans ses conditions limites opérationnelles réalistes et sa précharge. En outre, pour mesurer un composant, celui-ci doit être libre au niveau des interfaces de connexion, ce qui pose d'importants problèmes pour créer les conditions requises pendant la campagne d'essais. Une solution à ce défi peut être le découplage par sous-structuration basée sur la fréquence (FBS), une technique permettant de caractériser le comportement vibratoire d'un composant inconnu en soustrayant la structure de support de l'assemblage complet. Le découplage FBS est une méthodologie permettant d'identifier les fonctions de réponse en fréquence (FRF) d'un composant inconnu en supprimant l'influence de la structure secondaire des deux assemblages.

Avant ce projet, la création d'un modèle de suspension basé sur des essais avait été testée et appliquée dans plusieurs entreprises avec un succès variable. Cependant, aucun de ces modèles ne répondait au formulaire de données requis pour la FBS et à la gamme de fréquences de ce projet.

Ceci est dû à la nature particulièrement difficile des suspensions : elles ne peuvent pas être caractérisées séparément parce qu'elles sont attachées à une roue d'un côté et à la carrosserie de l'autre. Il est donc difficile de reproduire les conditions limites opérationnelles lors de la caractérisation des composants seuls, y compris la précharge verticale due au poids du véhicule et au glissement de la suspension pendant la conduite. Si la suspension n'est pas modélisée correctement, les résultats ne seront pas exacts. L'approche du découplage FBS n'avait été appliquée auparavant que sur le plan académique, mais jamais sur le plan commercial dans le cadre d'une suspension. Grâce à cette méthode, les ingénieurs ont pu créer un modèle offrant la précision et la gamme de fréquences requises pour la suspension.

Ensuite, HMG et Simcenter Engineering ont construit un banc personnalisé pour tester avec précision la suspension, développer les exigences et valider la conception du banc. Les équipes ont également reconnu que la répétabilité serait essentielle pour ce banc, c'est pourquoi elles l'ont conçu de manière à ce qu'il puisse être utilisé ultérieurement en interne.

La conception du gabarit de suspension a nécessité une combinaison de matériel, de logiciel de simulation et de TPA basée sur les composants.

Dans un premier temps, la suspension a été couplée à un gabarit d'essai conçu pour permettre des tests FRF dans des conditions opérationnelles. Le gabarit d'essai a été conçu et validé à l'aide d'un modèle d'éléments finis (EF) afin de limiter un comportement dynamique fort ou une rigidité excessive pour qu'il puisse être couplé à la structure cible. En outre, le gabarit permet de monter différentes suspensions à l'aide de blocs d'adaptation au niveau de ses points d'interface.

M. Park et l'équipe d'ingénieurs de Simcenter sont le premier groupe à avoir réussi à construire un dispositif d'essai complet pour l'analyse d'assemblage basée sur la FBS. Cette configuration a permis d'identifier un modèle de suspension avant intégré représentatif avec les conditions limites opérationnelles correctes.

"Lorsque j'ai proposé notre idée d'acquérir un modèle de suspension, je n'étais pas sûr qu'elle soit réalisable", explique M. Park. "Cependant, les tests TPA intégrés de Siemens (matériel, logiciel et composants) nous ont permis de concevoir parfaitement un gabarit très complexe. En outre, diverses techniques apprises lors d'autres campagnes de test ont été utilisées pour effectuer des changements à la volée. Les progrès que nous avons réalisés sont encourageants et nous aideront à préparer les futurs modèles afin d'évaluer les performances aux premiers stades du développement."

Caractérisation du modèle de suspension

Une fois le banc terminé, les équipes se sont attelées à la caractérisation du modèle de suspension. Simcenter 3D, la solution d'ingénierie assistée par ordinateur (IAO) pour l'ingénierie multidisciplinaire des produits, a été utilisée pour évaluer la configuration d'essai idéale, notamment le positionnement des capteurs, l'accessibilité et la compatibilité pour l'excitation avec le matériel Simcenter Qsources™. Simcenter Qsources est une gamme de matériel d'excitation sonore et vibratoire permettant de mesurer les fonctions de réponse en fréquence.

L'utilisation de Simcenter 3D a également facilité la communication entre l'équipe de simulation située à Louvain, en Belgique, et l'équipe d'essai basée en Corée du Sud. À Louvain, les ingénieurs ont élaboré, évalué et validé des modèles de conception assistée par ordinateur (CAO) pour les accéléromètres et l'excitateur Simcenter Qsources. À l'aide de ces modèles CAO, les ingénieurs d'essai basés en Corée du Sud ont pu réaliser des instruments et des mesures sur la base de ces modèles CAO. Cela a permis de créer une boucle de rétroaction critique entre l'équipe d'ingénierie de Simcenter et le client afin d'apporter des modifications et d'extraire la géométrie d'essai.

Une fois les capteurs placés, le portefeuille de solutions d'essai Simcenter, notamment le logiciel Simcenter Testlab™ et le matériel Simcenter SCADAS™, a été utilisé pour caractériser la dynamique structurelle du système sur le banc d'essai. Les équipes ont également utilisé des excitateurs et du matériel d'excitation Simcenter Qsources pour confirmer la précision des mesures.

Les équipes ont répété plusieurs fois ces études sur le banc d'essai. Environ 31 800 fonctions de transfert/FRF (146 excitations et 132 réponses) ont été acquises pour cette étude. Ce composant de suspension contenait un grand nombre de points de connexion dont les interactions devaient être décrites et mesurées. Par conséquent, un grand nombre de fonctions de réponse en fréquence (FRF) ont été nécessaires pour le caractériser, depuis les entrées au niveau des moyeux de roue jusqu'aux sorties au niveau des connexions avec la carrosserie du véhicule. Cela a représenté un effort considérable, mais était nécessaire pour garantir la précision de la création du modèle.

Ces efforts ont été couronnés de succès : après les essais, les équipes ont pu extraire le comportement dynamique d'une manière qui a contribué à la modélisation précise du système de suspension. Au terme du projet, l'équipe d'ingénierie de Simcenter a livré le banc au client pour qu'il puisse l'utiliser sur place.

Déploiement de la technologie et personnalisation

Ensuite, Simcenter Engineering et HMG se sont associés pour déployer les techniques apprises au cours des phases précédentes du projet par le biais de Simcenter VPA et de Simcenter Testlab NVH Simulator.

"En utilisant les modèles et les techniques développés au cours des projets précédents, nous voulions donner à nos concepteurs de systèmes la possibilité d'évaluer subjectivement l'atténuation du bruit de la route dans diverses conditions de conduite, par exemple sur différentes routes et à différentes vitesses", explique M. Park.

À l'aide de Simcenter VPA, Simcenter Engineering et HMG ont élaboré un assemblage virtuel de véhicule basé sur des modèles d'essai et de simulation. Les équipes ont ainsi pu prédire virtuellement les performances NVH des véhicules, confirmant ainsi que le passage à un développement virtuel des véhicules basé sur des modèles était faisable et encore plus précis.

Les équipes ont identifié les besoins et les objectifs de HMG en matière d'analyse du bruit de la route et ont défini une feuille de route pour améliorer et personnaliser Simcenter VPA afin de répondre à ces besoins. Il s'agissait notamment d'élaborer une interface graphique dédiée à l'analyse des données, ainsi que des fonctions spécifiques pour l'assemblage complexe de véhicules à plusieurs niveaux. L'objectif ultime de cette phase était de rejouer et d'écouter le son du véhicule en cours de développement avant même qu'un prototype physique ne soit construit à l'aide Simcenter Testlab NVH Simulator. Simcenter Testlab NVH Simulator permet de combiner le bruit de la route avec d'autres sources de bruit normales, telles que le vent, les pneus et le groupe motopropulseur, afin de le rendre plus réaliste. Cela permet aux ingénieurs de faire des prévisions plus précises en matière de bruit.

Les ingénieurs de HMG pourront utiliser les données obtenues à partir de Simcenter Testlab pour effectuer des analyses détaillées, y compris l'identification des sons dominants, la provenance des sons, etc. Simcenter Engineering travaillera également avec HMG pour construire une base de données de ces informations sonores, y compris une bibliothèque de composants pour l'assemblage virtuel et des informations sonores pour Simcenter Testlab. HMG pourra ainsi réduire les délais et les coûts de développement.

Enfin, Simcenter Engineering et HMG affineront les outils et les méthodologies fournis pour répondre aux besoins spécifiques de HMG. L'objectif étant d'intégrer cette technologie dans le processus de développement de HMG, il est essentiel de veiller à ce que les outils soient personnalisés pour garantir l'efficacité et la facilité d'adoption.

Déploiement de la technologie et de la personnalisation pour le développement de véhicules virtuels basés sur des modèles chez HMG.

Une feuille de route pour l'avenir

M. Park et Simcenter Engineering collaborent à des projets visant à intégrer cette technologie. Outre l'amélioration de la précision, l'équipe de HMG s'attend à une réduction du temps de développement, car ce projet lui a fourni de nombreuses pièces d'essai et des modèles qui peuvent être utilisés dans les études de véhicules. Cela évitera de devoir élaborer et corréler des modèles de simulation à chaque fois qu'un nouveau véhicule est en cours de développement.

"Nous avons bénéficié de l'étroite collaboration avec l'équipe d'ingénierie de Simcenter", déclare M. Park. "Nous sommes convaincus que ce projet nous aidera à améliorer l'efficacité de notre développement dans le cadre de la nouvelle stratégie IMA de HMG. Nous avons travaillé avec l'équipe de Simcenter Engineering pour améliorer le modèle de pneu, rendre le modèle de suspension plus efficace et relever bien d'autres défis. Nous sommes ravis de les compter parmi nos partenaires stratégiques dans le cadre de notre parcours MBSE."

Le logiciel et le matériel Simcenter ont été utilisés conjointement pour aider les ingénieurs à obtenir un jumeau numérique du bruit de la route du véhicule.

Le client d'abord

Fidèles à l'engagement de HMG d'apporter des améliorations constantes à ses clients, M. Park et M. Jeong confirment que ce projet améliorera le confort du conducteur et du passager en éliminant les bruits et les vibrations indésirables de l'habitacle. "Grâce à notre projet avec Simcenter Engineering, nous pouvons désormais apporter des améliorations rapides et fiables au cours des premières étapes du développement du véhicule", explique M. Park. "Cela nous permettra d'augmenter la satisfaction des conducteurs et des passagers et rendra les véhicules de HMG plus confortables et plus agréables à conduire."