Le constructeur français d’engins de construction utilise simcenter Amesim pour développer la première pelle sur pneus 100% éléctrique

La première pelle 100% électrique pour des chantiers plus respectueux de l’environnement

Activement engagé dans la protection de l’environnement, le Groupe MECALAC a récemment développé un concept innovant de pelle sur pneus à alimentation 100% électrique, la première au monde dans la catégorie des 10-12T. Présentée en avant-première mondiale au Salon INTERMAT 2018, la MECALAC e12 a reçu le Prix de la Transition Energétique. Un Prix qui récompense à la fois ses performances technologiques et environnementales et son design moderne incarnant l’esprit de l’entreprise française de Haute-Savoie

« MECALAC s’implique pleinement dans le projet du Grand Paris lancé en 2007. Nous avons franchi une étape importante à nos yeux en lançant cette année la première pelle à alimentation 100% électrique qui contribuera à l’objectif zéro diesel à l’horizon 2024 », souligne Max Boni, Directeur R&D du Groupe Mecalac. « Avec zéro émission de CO2 et de particules polluantes, cette nouvelle pelleteuse inaugure une nouvelle ère de l’histoire du Groupe. Elle s’inscrit pleinement dans notre stratégie d’innovation, pour des chantiers urbains toujours plus compacts, performants et respectueux de l’environnement. »

3 défis majeurs de conception, une innovation de rupture

Pour développer cette pelle à alimentation 100% électrique, le bureau d’ingénierie devait partir d’une feuille blanche et définir une architecture optimale qui réponde aux trois principales exigences de conception : l’autonomie, la performance et la compacité. Et le challenge était de taille, puisqu’il fallait dimensionner la batterie « au plus juste ». Une équation à plusieurs paramètres, mais pas insoluble…

Thomas Schaep, Ingénieur systèmes mécatroniques, responsable du projet, explique : « Il s’agissait pour nous de développer un premier prototype fonctionnel tout en anticipant la fabrication en série. Nous ne voulions pas d’une solution batterie spécifique sur-mesure, nous avons donc cherché à combiner des modules de batterie sur étagère en optimisant l’autonomie, le coût et l’encombrement de l’ensemble. »

Le choix de Simcenter Amesim

Le bureau d’études utilise déjà des logiciels CAO/Calcul (SolidWorks, ANSYS, MSC Adams) pour la conception mécanique de ses produits. Pour étudier son nouveau modèle de pelleteuse électrique, l’équipe R&D souhaitait se doter d’un logiciel de modélisation et de simulation permettant d’analyser de prédire la performance multi-disciplinaire du système : mécanique, hydraulique, thermique et électrique.

Le choix s’est rapidement porté sur le logiciel Simcenter Amesim de Siemens PLM Software pour sa facilité d’utilisation, son ouverture et son large éventail de bibliothèques multiphysiques prêtes à l’emploi. Thomas Schaep, qui connaissait le logiciel pour l’avoir utilisé au cours de ses études, a été immédiatement opérationnel. La phase de modélisation a duré environ 3 mois et s’est déroulée en trois étapes.

En premier lieu, la modélisation mécanique : les cotes relevées sur le plans 2D ont été intégrées dans un tableau Excel. Le couplage bidirectionnel synchrone entre Simcenter Amesim et Excel a permis d’utiliser les valeurs saisies dans Excel comme paramètres de simulation pour Amesim. Si les paramètres sont modifiés dans Amesim, ils sont automatiquement mis à jour dans Excel. Les deux sources de données sont simultanément à jour. Cette méthode a pour avantage de permettre à un plus large nombre d’utilisateurs d’exploiter les informations dans le tableau Excel sans avoir à connaitre le logiciel Amesim. Par ailleurs, la fonction d’import CAD disponible dans Amesim offre la possibilité de générer automatiquement le modèle cinématique/mécanique de la pelle en quelques clics depuis n’importe quel fichier CAD.

Deuxième étape, la modélisation hydraulique : les vérins sont représentés en bleu, la distribution hydraulique est modélisée à l’aide d’un super composant répété plusieurs fois. Comme l’hydraulique représente un poste de dépense important sur un engin de construction, cette étape nécessitait une modélisation fine et détaillée. Afin de s’assurer de la bonne représentativité du modèle, les résultats obtenus par la simulation ont été comparés aux mesures physiques réelles. Une bonne corrélation a pu être observée.

Enfin, dernière étape, la modélisation électrique : un modèle détaillé de machine électrique synchrone à aimants permanents (PMSM pour Permanent Magnet Synchronous Motor), associé à son contrôleur et à un variateur. Thomas Schaep précise : « Il était important que le modèle électrique soit précis et détaillé car le moindre kwh gagné compte… »

Le résultat : un prototype de la e12 bon du premier coup

Grâce au modèle Simcenter Amesim, le bureau d’ingénierie a été en mesure de simuler plusieurs options d’architecture, d’analyser de multiples paramètres pour dimensionner au plus juste l’ensemble du système d’alimentation. Et in fine, de produire un prototype bon du premier coup. Un gain très conséquent en coût et en temps. L’équipe technique estime en effet qu’avec les méthodes traditionnelles et sans le logiciel Amesim, il aurait fallu 2-3 prototypes pour converger vers une architecture optimisée en termes d’autonomie, de performance et d’encombrement.

Et le résultat parle de lui-même ! « La batterie de la MECALAC e12, séparée de la tourelle, permet d’installer une capacité record de 146kWh, offrant ainsi une autonomie inégalée de 8h avec une durée de vie trois fois plus importante que pour les batteries classiques », souligne avec enthousiasme Max Boni. « Des performances qui ont largement été saluées par les professionnels lors du salon INTERMAT 2018. »

Les bénéfices : compréhension, confiance, créativité

MECALAC dresse un bilan très positif de cette première expérience d’utilisation du logiciel de Siemens PLM Software. Le département R&D apprécie tout particulièrement sa facilité et sa rapidité de mise en œuvre grâce à ses bibliothèques fournies et éprouvées, sa simplicité de prise en main et sa robustesse.

Thomas Schaep résume ainsi les bénéfices d’Amesim : « Nous avons une meilleure compréhension de certains phénomènes comme les pertes énergétiques par exemple. Auparavant nous n’étions pas capables de les quantifier. Aujourd’hui nous sommes en mesure de mettre le doigt là où ça fait mal », précise-t-il. « Nous pouvons faire rapidement plusieurs simulations avec un niveau de confiance élevé sur la prédictibilité des modèles. Ce qui nous libère du temps pour étudier des solutions plus créatives et imaginer des options que nous n’aurions pas eu le temps d’explorer sinon. Amesim contribue à notre créativité.»

Perspectives pour le futur : une ouverture vers de nouveaux concepts

La R&D travaille déjà sur l’étape de fabrication en série de la e12, avec une version évoluée du modèle Amesim. Le bureau d’ingénierie envisage par ailleurs un couplage du modèle Amesim avec les modèles de lois de commande afin de vérifier leur bon comportement. La prochaine étape d’utilisation de ce modèle Amesim serait de valider le vieillissement cyclique et calendaire de la batterie. Enfin, l’utilisation d’un logiciel d’optimisation à l’instar d’HEEDS pourrait permettre d’automatiser et d’accélérer le processus d’exploration des options de conception.

« Simcenter Amesim permet d’explorer de manière proactive de nouvelles conceptions innovantes. Cette première étude réalisée avec la e12 sert de boite à idées pour de futures évolutions. Nous sommes force de proposition vis-à-vis des équipes marketing et achat », conclut Max Boni.

Cette démarche s’inscrit parfaitement dans l’ADN du Groupe Mecalac qui depuis 40 ans ne cesse de remettre en question pour s’adapter aux besoins des chantiers urbains du futur et apporter des solutions novatrices.