Une université internationale utilise Simcenter pour tester la longévité des pales d'éoliennes

Le changement climatique étant un facteur d'accélération majeur, le Danemark accorde une grande importance aux énergies renouvelables. Le département de l'énergie éolienne de l'université technique du Danemark (DTU Wind Energy) et le projet ReliaBlade s'attaquent aux objectifs fixés par les politiques danoises en matière de changement climatique en contribuant au développement d'éoliennes grâce à leurs connaissances techniques. Kim Branner est chercheur principal et chef de section au département DTU Wind Energy, ainsi que responsable du projet ReliaBlade.

M. Branner a conçu des hélices de bateau il y a 30 ans, dans le cadre de son master, et au cours des 18 dernières années, il a travaillé dans le domaine de la recherche sur l'énergie éolienne. Avec son équipe du DTU Wind Energy, il travaille sur la dynamique, la conception et les tests des pales d'éoliennes, et il utilise divers outils pour développer des méthodes permettant de comprendre leur résistance et leur durée de vie en fatigue.

Les éoliennes offshore ne sont pas facilement visibles ou audibles, mais elles sont placées là où le vent est le plus fort. L'évaluation des éoliennes offshore est un défi majeur, qui nécessite un meilleur moyen de les surveiller à des fins de maintenance. C'est là qu'intervient l'initiative ReliaBlade.

ReliaBlade est un projet de recherche conjoint germano-danois qui vise à développer et à démontrer des techniques pour créer un jumeau numérique unique pour chaque pale d'éolienne, en tenant compte de ses défauts et imperfections spécifiques. Digitaliser l'ensemble du processus est primordial. Cela se traduit par l'utilisation de scanners de haute précision, d'outils de contrôle non destructifs (CND), de techniques avancées de traitement d'images et de modélisation multi-échelle des pales. Le jumeau numérique permet non seulement de suivre l'état actuel d'une pale, mais aussi de prédire l'état futur de la pale de rotor au fur et à mesure de l'apparition et de l'aggravation des dommages tout au long de son cycle de vie.

"Le projet ReliaBlade utilise un jumeau numérique complet pour surveiller les turbines et rendre les pales d'éoliennes plus fiables. D'où le nom ReliaBlade", explique M. Branner. "L'objectif est d'améliorer la fiabilité des pales d'éoliennes en tirant parti d'un jumeau numérique. C'était l'une des idées à l'origine de ce projet."

ReliaBlade vise à garantir la durabilité des pales sans interaction humaine ou autres problèmes imprévus. Le DTU Wind Energy utilise un jumeau numérique et des technologies de capteurs dans le processus de construction des pales pour développer des systèmes de suivi de l'état qui contrôlent la structure et peuvent alerter les propriétaires d'éoliennes des problèmes potentiels, ou des dommages qui se développent dans la pale. Ces derniers peuvent alors modifier leur mode d'exploitation ou prendre une décision de réparation avant que le problème ne devienne trop critique, et accéder aux éoliennes offshore pour effectuer les réparations nécessaires, idéalement en été.

"Grâce aux systèmes de surveillance associés au jumeau numérique, vous avez la possibilité d'intervenir avant qu'un problème ne survienne et donc de rendre ces structures plus fiables", déclare M. Branner.

Fabriquer des pales de test dans un environnement de recherche vous permet de la construire avec des instruments modernes et un contrôle détaillé du processus. Vous pouvez réintégrer les données dans la modélisation de la pale afin de prédire le comportement des dommages dans les tests en grandeur réelle menés avec des méthodes de test innovantes.

Plateforme numérique

L'équipe du DTU Wind Energy travaille en partenariat avec Siemens Digital Industries Software. Dans le cadre de cette collaboration, le DTU Wind Energy utilise le logiciel Simcenter™ pour développer un jumeau numérique complet de l'éolienne pour le projet ReliaBlade. La plateforme numérique ReliaBlade comprend la conception de la pale pour le produit numérique, la fabrication de la pale et des composants, ainsi que les propriétés des matériaux et les effets des défauts pour la fabrication numérique, et enfin les tests des sous-composants et les tests de la pale à l'échelle réelle pour les performances numériques.

Simcenter fait partie de la plateforme Siemens Xcelerator, qui comprend des logiciels, du matériel et des services.

"Nous avons choisi Siemens Digital Industries Software comme partenaire parce que cette entreprise a l'habitude de travailler avec la technologie du jumeau numérique dans d'autres secteurs et qu'elle dispose d'une large gamme de logiciels capables d'accompagner ce développement", explique M. Branner. "Cette technologie n'est pas tellement utilisée dans l'industrie de l'énergie éolienne. Certaines organisations ont travaillé avec un jumeau numérique pour les roulements et les engrenages de la chaîne cinématique de la turbine, mais pas pour les pales. C'est un cas unique et, bien sûr, un domaine intéressant pour nous, car nous travaillons avec des pales et nous les testons."

"Mais il s'agit également d'un domaine très complexe, car ces structures sont extrêmement chargées. Il s'agit aussi d'un défi, car l'objectif est de faire durer l'éolienne 20 ou 30 ans, en la faisant fonctionner avec une turbine tous les jours et par tous les temps. La mer est un environnement hostile. Il est donc très difficile d'élaborer des systèmes qui soient robustes et qui puissent fonctionner dans la pratique."

Les tests

Le DTU Wind Energy a effectué des tests physiques avec le logiciel Simcenter Testlab™, une simulation 1D avec le logiciel Simcenter Amesim™ et des canaux virtuels avec le logiciel Simcenter Testlab Neo.

Pour le test des pales, le DTU Wind Energy utilise une méthode expérimentale de dynamique des structures pour identifier la pale. Cette approche inclut des analyses modales expérimentales, des analyses modales opérationnelles et des analyses modales opérationnelles basées sur les contraintes. Le DTU Wind Energy a également intégré la simulation 3D par éléments finis et la corrélation avec le test.

La géométrie libre-libre (free-free), comportant 124 points de mesure, a servi de référence pour tous les tests du projet ReliaBlade. L'analyse modale opérationnelle basée sur les contraintes est une combinaison de jauges de contraintes et de motif de speckle pour les mesures de corrélation d'images numériques. L'analyse modale opérationnelle basée sur les contraintes comporte quatre niveaux de force différents (1,50 kN, 2,17 kN, 2,65 kN, 3,17 kN), 76 jauges de contraintes le long de 12 sections et une fréquence d'échantillonnage de 200 Hz.

Simcenter Testlab a été utilisé pour l'identification de la dynamique des structures, la validation des modèles numériques, la détection des dommages par vibration et les tests de systèmes basés sur des modèles.

Le développement de la plateforme numérique a contribué à l'automatisation de l'estimation du modèle modal, au transfert des données de l'Internet des objets (IoT) vers IBM® Cloud, aux capteurs virtuels et aux tests de systèmes basés sur des modèles, ainsi qu'à l'intégration des tests et de la simulation.

Les résultats du projet ReliaBlade montrent au DTU Wind Energy comment il est possible d'appliquer l'architecture de jumeau numérique développée depuis la maquette complète jusqu'à la pale à l'échelle réelle. Le DTU Wind Energy travaille également sur la façon dont il peut intégrer des méthodes d'apprentissage automatique, effectuer une mise à jour automatisée des modèles et utiliser une surveillance de la santé structurelle basée sur les vibrations dans le cadre du projet ReliaBlade.

"Je pense qu'utiliser Simcenter est une excellente façon de développer la vision de ce projet", affirme M. Branner.

L'université technique du Danemark rêve d'un avenir où, lorsqu'une pale quitte l'usine, elle ne se limitera pas à sa forme physique, mais aura également son jumeau numérique.

Les pales sont uniques et présentent toutes de petites imperfections ou déviations au cours du processus de fabrication. Les ingénieurs doivent tenir compte de toutes les propriétés des matériaux, qui peuvent être légèrement différentes. Le projet ReliaBlade utilise des technologies numériques pour prendre en compte ces imperfections et les inclure dans le jumeau numérique unique de la pale.

En appliquant des capteurs à la pale, ils peuvent garder un œil sur ce qui lui arrive pendant sa durée de vie. Les dommages réels subis par les pales sont contrôlés en laboratoire en chargeant les pales avec des excitateurs, puis mesurés à l'aide de capteurs afin de détecter les dommages cumulés au fil du temps. Ces informations sont utilisées pour actualiser le jumeau numérique : il représente alors l'état réel de la pale physique en permanence.

Grâce à ce jumeau numérique optimisé, il est possible de prendre d'autres décisions en connaissance de cause. Lorsqu'une pale a besoin d'être réparée, son jumeau numérique peut être utilisé pour simuler différentes méthodes de réparation, ce qui permet de déterminer l'option la plus optimale. Le jumeau numérique peut également être utilisé pour prendre des décisions sur la manière d'exploiter l'éolienne afin que les dommages ne s'aggravent pas ou ne se propagent pas.