La Scuderia AlphaTauri crée une voiture de F1 ultra-performante

La montée en puissance de la Scuderia AlphaTauri

Le 23 février 2022, le monde a eu un avant-goût des nouvelles voitures de Formule 1 (F1) alors qu'elles terminaient leurs journées d'essais de pré-saison à Barcelone. Au cours des journées d'essais suivantes, à Bahreïn début mars 2022, les pilotes se sont concentrés sur le confort au volant des nouvelles voitures avant le début de la saison de course prévu pour le 21 mars 2022.

Au cours des journées d'essais et des premières courses, les deux jeunes pilotes de la Scuderia AlphaTauri, Pierre Gasly et Yuki Tsunoda, ont travaillé avec les ingénieurs de la Scuderia AlphaTauri pour découvrir les performances de la nouvelle voiture et corriger les erreurs commises lors de la nouvelle conception.

"Il y a de nouvelles choses à découvrir avec cette voiture à chaque fois que nous sortons en piste, nous devons donc tirer le meilleur parti de chaque séance et apprendre autant que possible avant la première course ici", explique Pierre Gasly, au bord de la piste lors des journées d'essais à Bahreïn en mars 2022. "C'était une sensation exceptionnelle. J'avais hâte de découvrir ces nouvelles voitures et de voir comment elles se comportaient sur la piste.

Ce stimulant de la performance qui donne le sentiment d'être sur la bonne voie

Dans les courses de F1, le pilote et la voiture ne font plus qu'un. Cette sensation ressentie sur la piste provient de la partie de la voiture qui n'est normalement pas sous les projecteurs, à savoir le siège du conducteur.

"Le châssis est l'une des pièces les plus sophistiquées de la voiture, pour des raisons de sécurité et de performances. Nous devons commencer à travailler sur cette partie immédiatement, même si nous n'avons pas toutes les informations", explique Raffaele Boschetti, responsable des technologies de l'information (IT) et de l'innovation pour la Scuderia AlphaTauri. "Avant de nous associer à Siemens, nous passions trois mois à produire un bon châssis. Avec le logiciel Siemens, nous l'avons fait en un mois. Cela nous a fait gagner beaucoup de temps et nous a offert de nombreux avantages."

Outre le châssis, le siège est important pour la sécurité du conducteur et ses performances globales. La conception générale des sièges est strictement réglementée par les normes de sécurité et de crash test de la F1. En cas de problème, les conducteurs doivent pouvoir sortir de la voiture rapidement et en toute sécurité. Le commissaire de sécurité et les équipes médicales doivent être en mesure d'extraire efficacement les conducteurs blessés lors d'un accident. Raffaele Boschetti s'empresse de souligner que le siège d'une voiture de F1 ne se limite pas à la sécurité.

"Le siège est une partie de la voiture qui permet de réaliser des performances. Le conducteur ressent toutes les vibrations, les accélérations et la maniabilité par le biais du siège. Sur la piste, nous pouvons modifier les réglages de la voiture pour l'améliorer en fonction des besoins du conducteur", explique Raffaele Boschetti. "En Formule 1, il y a quelques essais en février ou mars. Dans cette situation, les logiciels et les plateformes que Siemens nous a fournis ont été essentiels à la fabrication du siège.

Une taille unique ne va pas à tout le monde

Les baquets de F1 ne sont pas tous identiques. Les ingénieurs en conception de matériaux composites vous diront que la moitié du défi ne réside pas dans le siège, mais dans la manière d'installer le conducteur dans la voiture.

"C'est comme un costume sur mesure. Il faut tenir compte de la position du casque, de la position du dos et être le plus bas possible", explique Francesco Dario Picierro, ingénieur principal en conception de matériaux composites pour la Scuderia AlphaTauri.

Pour s'assurer que ces aspects critiques de la performance sont corrects, Dario Picierro et ses collègues ont mis au point un processus unique de conception des sièges. Pour commencer, ils ont conçu un siège légèrement plus grand que nécessaire, puis ils ont chauffé un lot de résine spéciale et pris un moule physique du corps du conducteur dans la position idéale. À partir du moule en résine, ils ont utilisé le logiciel NX™ pour créer un scan complet afin de concevoir le siège. NX, le portefeuille Fibersim™ et le logiciel Simcenter™ font partie de la plateforme d'entreprise Siemens Xcelerator, qui comprend des logiciels, du matériel et des services.

"Le processus peut sembler simple, mais grâce aux produits de Siemens, il devient plus intelligent", ajoute Dario Picierro.

Utiliser la digitalisation pour réussir en F1

Avec la conception complète et le changement de châssis du modèle 2022, l'équipe a dû simuler chaque détail grâce à la conception assistée par ordinateur (CAO), de la visibilité globale à la façon dont le conducteur s'intégrerait dans la conception du châssis.

Amener le conducteur à se glisser dans la voiture, à atteindre les pédales et à voir évidemment, tout en tenant compte du casque, des règles de sécurité, du nouveau châssis et du nouveau design de la voiture, est une prouesse d'ingénierie en soi. L'équipe sait qu'aujourd'hui, la digitalisation est le seul moyen de réussir en F1. L'utilisation des outils de digitalisation de Siemens a permis d'éliminer la plupart des tâches fastidieuses des cycles de conception, d'ingénierie et de production.

"L'utilisation de NX nous a aidés à mener à bien notre travail de digitalisation. Par exemple, nous pouvons reproduire exactement les gestes des mains sur le volant ou la visibilité à l'aide de la caméra du conducteur. Nous pouvons également adapter le mannequin numérique aux mensurations du conducteur", explique Dario Picierro.

Une course contre la montre

Pendant que les ingénieurs chargés de la conception des matériaux composites
adaptent le siège au pilote (un processus qui peut se dérouler plusieurs fois par saison en fonction des besoins de
chaque pilote), d'autres membres de l'équipe d'ingénieurs de la Scuderia AlphaTauri optimisent la nouvelle conception de la voiture pour les performances du pilote avant le jour de la course.

Outre le délai serré, l'autre défi pour tout ingénieur de F1 est le poids. Les équipes d'ingénieurs de F1 ont eu du mal à faire en sorte que le poids minimum du pilote et de la voiture soit de 795 kilogrammes (kg), surtout avec les nouvelles règles de sécurité et la traction à effet de sol. À la dernière minute, les équipes sont parvenues à un compromis pour augmenter le poids à 798 kg.

"Bien sûr, c'est toujours difficile. Il s'agit d'un règlement totalement nouveau. Ces voitures sont compliquées et il est difficile de tout concevoir pour répondre aux exigences de limite de poids. Comme nous pouvons le constater, presque toutes les équipes sont en surpoids. Nous devons également tenir compte des coûts. Il est coûteux de réduire le poids. Compte tenu du plafonnement des coûts, nos équipes ont pu trouver un compromis", explique Franz Tost, chef d'équipe de la Scuderia AlphaTauri.

Filant à plus de 300 km/h lors d'une course normale de F1, les pilotes subissent jusqu'à quatre ou cinq G latéraux lors du freinage et des virages et lors de l'accélération sur les longs tronçons.

Une plateforme et le secret du succès

Comme l'a expliqué Franz Tost, l'équilibrage des paramètres de conception est toujours un défi pour les équipes d'ingénierie. L'utilisation de la même plateforme numérique et de la même suite logicielle pour étudier le comportement réel de la voiture aide l'équipe à prendre les bonnes décisions pour les courses.

"Notre travail consiste à évaluer la résistance et la rigidité de la pièce. Le siège du conducteur doit être suffisamment solide pour supporter les charges d'accélération et suffisamment rigide pour permettre une interaction correcte entre le conducteur, le châssis et le reste de la voiture", explique Giuseppe Stiscia, chef de groupe châssis et ingénieur structure pour la Scuderia AlphaTauri. "Nous utilisons Siemens Simcenter pour générer le modèle par éléments finis et générer les conditions du modèle de charge." Simcenter affiche clairement les valeurs de rigidité standard de la structure au moyen d'une bande de couleur. Chaque couleur représente un état de contrainte ou de déplacement de la pièce.

"Les ingénieurs en structure utilisent ces informations pour comprendre le comportement réel de la structure. Notre objectif est de rendre la pièce aussi solide et rigide que possible, mais nous devons d'abord optimiser le poids. Il ajoute : "Simcenter nous aide à calculer la pièce plus rapidement et à utiliser la même plateforme pour toutes les personnes impliquées dans le projet."

Le temps de développement est d'or

Andrea Rizzo, ingénieur du groupe de recherche et développement (R&D) de l'empilage numérique, utilise cette même plateforme avec ses collègues. Ils utilisent les outils Fibersim pour terminer la pièce proprement dite.

"Nous utilisons Fibersim pour obtenir une connexion parfaite entre les résultats de l'analyse par éléments finis et le laminage réel", explique Andrea Rizzo. "Avec ce matériau, vous devez découper une forme dans le panneau qui sera laminé sur le moule. Tout matériau supplémentaire ou inutile appliqué au moule est un coût supplémentaire. Nous essayons de procéder avec le moins de matériau possible pour économiser du temps et de l'argent."

L'équipe d'ingénieurs de la Scuderia AlphaTauri utilise également Fibersim pour maintenir la cohérence des pièces personnalisées. Contrairement aux véhicules commerciaux, les voitures de F1 contiennent de nombreuses pièces en fibre de carbone faites à la main créées en superposant soigneusement des couches composites à l'intérieur du stratifié. Chaque pièce a des caractéristiques structurelles uniques. Bien que l'équipe ne le dise pas pour des raisons de concurrence, on peut supposer que les pièces de rechange et de remplacement sont créées en fonction des besoins.

Les données sont reines : toute information que l'équipe peut analyser l'aidera à comprendre le comportement de performances de la nouvelle voiture.

"Chaque pièce en carbone est un stratifié, nous devons donc nous assurer que la première est la même que la précédente. C'est pourquoi nous utilisons Fibersim. Nous gagnons du temps pendant le processus de production grâce à cette simulation complète. Nous pouvons préparer des couches afin qu'elles soient identiques pour tous les laminages.

"Avec Fibersim, nous savons ce qui se passe au sein du composant. Nous connaissons le standard de qualité des couches. Nous suivons chaque couche pendant le processus. Nous pouvons prévenir les problèmes avant qu'ils ne surviennent, car nous vivons sur la même plateforme, de NX à Simcenter en passant par Fibersim. Et plus important encore, nous gagnons du temps", explique Andrea Rizzo.

"Le problème avec la F1 en particulier, mais même pour les voitures classiques, c'est que vous devez produire la même pièce avec la même qualité en même temps. Si vous utilisez la même suite qui calcule tout pour vous, de la pièce CAO à la ligne de production, vous obtenez une pièce de qualité qui sera performante sur la piste. C'est l'objectif", explique Raffaele Boschetti.

Grâce aux outils de Siemens Xcelerator tels que NX, Simcenter et Fibersim, l'équipe peut personnaliser chaque siège en fonction du conducteur en utilisant des couches de matériaux composites pour créer un stratifié ultra-léger qui répond parfaitement aux spécifications de sécurité et de conception des nouvelles voitures de la Scuderia AlphaTauri. Cela fournit à Pierre Gasly et Yuki Tsunoda la connexion idéale à la voiture dont ils ont besoin pour être performants. Grâce à l'excellente ingénierie de l'équipe de Faenza, en Italie, et à l'aide de la plateforme d'entreprise Siemens Xcelerator, l'équipe de la Scuderia AlphaTauri est plus que prête pour la prochaine saison de F1.