Une course contre la montre

Une bataille contre la montre

La division de développement de l'unité de sport automobile (MSUDD) de Toyota Motor Corporation utilise depuis de nombreuses années les logiciels STAR-CD et Simcenter STAR-CCM+ pour développer des véhicules de course dans diverses catégories de sport automobile. La division mène chaque jour des activités de recherche et développement (R&D) sur les véhicules de course au centre technique Higashi-Fuji de l'entreprise, situé au pied du mont Fuji.

L'un des rôles de la MSUDD est de développer des véhicules pour le Championnat du Monde d'Endurance de la FIA, qui comprend les 24 Heures du Mans. Elle effectue également des travaux de recherche et développement sur les moteurs et les véhicules pour les séries de courses nationales (japonaises) telles que les séries Super-Formula et Super-GT. Les responsables de la MSUDD, Yuichiro Kato et Teppei Hojo, considèrent que l'ingénierie assistée par ordinateur (IAO) et la mécanique des fluides numérique (CFD) sont essentielles à la réussite de la conception des véhicules de course de l'entreprise.

Une équipe guidée par trois principes importants

La MSUDD a trois principes pour guider son approche de la conception et du développement de véhicules à la fois rapides et visuellement époustouflants pour ses clients. L'IAO et la CFD soutiennent pleinement ces trois objectifs : accélérer le développement de technologies automobiles de pointe grâce à la participation à des courses, attirer de nouveaux amateurs de course en faisant preuve d'enthousiasme pour relever des défis dans des technologies difficiles et inconnues et élargir l'éventail des passionnés de véhicules en organisant des événements et d'autres occasions où ces derniers peuvent faire l'incroyable expérience de conduite des véhicules et des rêves que ces bolides peuvent inspirer.

Le groupe moteur de M. Kato est responsable de la performance et de la fiabilité des moteurs et des composants hybrides et utilise l'IAO/la CFD pour la conception du groupe motopropulseur et le développement de nouvelles technologies analytiques. Le groupe d'aérodynamique de M. Hojo est principalement chargé du développement aérodynamique automobile, en utilisant la CFD dans le processus. L'équipe IAO/CFD au sein de la MSUDD est composée d'environ 15 personnes. Avec le temps et les ressources limités dont dispose un si petit groupe, concourir dans l'univers complexe de la course nécessite une standardisation technologique permettant à l'équipe de hiérarchiser le travail d'analyse, de coordonner les calendriers de post-traitement (conception, tests et souffleries) et de s'assurer que les résultats analytiques sont cohérents et reproductibles.

Le développement d'un véhicule est une course contre la montre

Dans le monde des véhicules de course, les développements pour l'année à venir, les préparatifs pour la prochaine course et le travail pour s'adapter aux réglementations changeantes sont tous des aspects extrêmement importants. La CFD peut ainsi apporter une contribution importante en réduisant considérablement les délais d'exécution.

"Les véhicules de course ne sont pas comme les véhicules de série dont le développement s'étale sur plusieurs années", explique M. Kato. "Même si la forme extérieure du véhicule de course le plus récent semble identique à celle de l'année précédente, les composants internes peuvent être totalement différents. L'équipe développe essentiellement un tout nouveau véhicule chaque année. Avec un délai d'exécution aussi rapide, la fiabilité et les performances des éléments, y compris la forme aérodynamique externe et le moteur, doivent être garanties avant même que le véhicule ne soit construit. L'approche conventionnelle consistait à se soumettre à un processus répétitif de construction et de test de prototypes, mais nous sommes maintenant en mesure de mener des évaluations analytiques approfondies avant même qu'une seule pièce n'ait été fabriquée."

Les conceptions aérodynamiques des véhicules du Mans sont développées conjointement avec Toyota Motorsport GmbH (TMG), situé en Allemagne. Pendant la participation de Toyota aux courses de Formule 1, les souffleries ont joué un rôle central dans les efforts de développement, et la CFD a été utilisée comme supplément. Aujourd'hui, cependant, la CFD est essentielle aux tests de concept et joue un rôle extrêmement important dans la visualisation de l'écoulement et la prise de décision concernant les concepts de design des véhicules. La CFD joue un rôle clé non seulement dans la réduction des délais d'exécution, mais aussi dans le processus de développement des pièces ces dernières années.

"Comme il n'y a pas le temps de mettre un vrai véhicule en soufflerie pour faire des ajustements entre les courses, et parce que les possibilités de tests sur piste sont limitées, un processus est en train d'émerger pour déplacer rapidement les éléments de conception de la CFD vers les véhicules réels, ce qui augmente l'importance de la sortie CFD", explique M. Hojo. "Il est de plus en plus nécessaire de prendre des décisions sur la base de tests initiaux. Ainsi, les performances du véhicule dès le premier test déterminent la compétitivité de celui-ci au cours de la saison."

Aujourd'hui, les technologies qui permettent aux ingénieurs d'améliorer les performances des véhicules et des composants dans la phase de conception et de développement avant toute fabrication sont particulièrement importantes. L'utilisation de technologies d'IAO/CFD telles que Simcenter STAR-CCM+ est absolument essentielle pour rendre cela possible, compte tenu des calendriers et des processus de développement très exigeants du secteur.

Application des technologies des véhicules de course aux véhicules de série

Pour les constructeurs automobiles, l'objectif premier de la pratique du sport automobile, au-delà de la publicité qu'elle génère, est de développer rapidement des technologies de pointe. Il est particulièrement important que les entreprises soient en mesure de déployer et de partager en interne le savoir-faire technologique dérivé du développement des véhicules de course, et d'appliquer ces connaissances au développement des véhicules de série.

La mission de la MSUDD est de développer des technologies de pointe par le biais des courses et d'aider à l'application de ces technologies aux véhicules de série. Cette division rencontre régulièrement les services des véhicules de série de l'entreprise, ce qui leur permet d'échanger des connaissances et de discuter. Des informations sont partagées non seulement sur les technologies analytiques, mais aussi sur les technologies aérodynamiques, telles que les méthodes de contrôle de l'écoulement.

Le développement aérodynamique dans le sport automobile se fait à un rythme extrêmement rapide, ce qui signifie qu'il faut obtenir le meilleur résultat dans les plus brefs délais. Par exemple, la boucle de conception CFD pour une seule pièce de développement dure environ deux semaines. Les clés du succès dans ce contexte résident dans l'exécution d'un maximum de calculs pendant cette période et dans l'identification d'une bonne solution. Pour cette raison, les calculs de régime permanent sont principalement utilisés, malgré le fait que l'aérodynamique réelle du véhicule comprend des phénomènes instationnaires et des écoulements extrêmement complexes. Par conséquent, il est important de trouver un compromis entre la précision et la vitesse de calcul.

"Il est extrêmement difficile d'équilibrer les forces opposées de la précision des calculs et des délais d'exécution raccourcis", convient M. Hojo. "Parce que nous sommes constamment sous pression pour améliorer les performances en développant de nouvelles pièces, c'est l'un des domaines les plus difficiles. Trouver un moyen efficace d'utiliser des calculs instationnaires au cours d'un cycle de développement de deux semaines aiderait à résoudre ce problème."

"Avec les moteurs, nous avons été confrontés par le passé à des défis concernant la précision des calculs", ajoute M. Kato. "Cependant, il est devenu possible d'obtenir une forte corrélation entre les simulations et les tests en conditions réelles. Aujourd'hui, la plupart des améliorations que nous avons mises en œuvre ont eu l'effet escompté sur la piste. Nous sommes actuellement très satisfaits de ce que nous sommes capables de faire avec Simcenter STAR-CCM+. Nous favorisons de nouvelles améliorations de l'efficacité grâce à une automatisation supplémentaire combinée à l'optimisation."

Tests des résultats virtuels dans la réalité

Le Mans, contrairement à la Formule 1, n'a pas de réglementation limitant le temps consacré aux tests en soufflerie. Les décisions finales sont prises à l'aide des résultats des tests en soufflerie, mais la CFD est essentielle à un développement efficace dans des conditions de ressources financières et de temps limités.

Les principaux problèmes qui se posent lors de la conception et du développement axés sur la CFD sont des questions de fiabilité ou de précision. Pour cette raison, il est extrêmement important de valider l'approche de simulation en vérifiant la corrélation entre les tests en soufflerie et les résultats de la CFD. Pour ce faire, les valeurs aérodynamiques telles que les distributions d'appui, de traînée et de pression de surface sont comparées à des résultats expérimentaux tels que les mesures de force et la vélocimétrie par image de particules (PIV). Étant donné que les souffleries simulent des conditions réelles, leurs résultats sont traités comme une norme par rapport à laquelle sont ajustés la résolution du maillage et les paramètres de calcul utilisés dans l'analyse. Pour ce faire, un très grand nombre de cas de calcul sont généralement évalués.

Le groupe d'aérodynamique effectue également des mesures sur des véhicules réels. Les valeurs telles que l'appui aérodynamique peuvent être obtenues pendant que les véhicules roulent sur la piste, ce qui fournit des données comparatives par rapport aux résultats de la soufflerie et de la CFD. S'il y a des incohérences, les ingénieurs examinent les moyens d'améliorer les tests en soufflerie et les modèles de CFD. Il y a des cas dans lesquels des améliorations de la précision de la CFD doivent être mises en œuvre dans un délai très court (à temps pour les prochains tests en soufflerie et les prochaines courses), tandis que d'autres améliorations peuvent être apportées à moyen et long terme.

Le groupe moteur effectue des évaluations rigoureuses avant de monter un moteur dans un véhicule réel, et n'installe que les pièces les plus efficaces selon ses conclusions. Par conséquent, peu d'évaluations sont effectuées pendant la course. Les irrégularités, qu'elles nécessitent une réponse immédiate ou qu'elles puissent attendre d'être corrigées à moyen terme, peuvent ainsi être identifiées rapidement.

Enregistrement complet dans un script et facilité d'utilisation

M. Kato partage son opinion sur les produits et services CD-adapco de Siemens PLM Software : "D'après mon expérience d'utilisation de divers logiciels de CFD dans le passé, je peux dire ceci : étant donné que la plupart des fonctions de Simcenter STAR-CCM+ et STAR-CD peuvent être gérées par des scripts, il n'est pas nécessaire d'ouvrir l'interface graphique. Il est très facile de définir des opérations pouvant être exécutées dans des processus discontinus, ce qui permet des connexions transparentes à l'optimisation et à d'autres applications logicielles externes. Aujourd'hui, les calculs basés uniquement sur les fluides ne vous mèneront pas très loin. Les applications de Siemens Digital Industries Software sont extrêmement faciles à utiliser en conjonction avec les différentes applications des processus en amont et en aval. Il est également très pratique que le script puisse être lu par n'importe qui."

Du côté de l'aérodynamique, tout est exécuté avec un script, y compris la création de modèles analytiques. D'après les retours, l'utilisation est très simple une fois que les ingénieurs s'y sont familiarisés. Dans le domaine de l'aérodynamique, le traitement des données est entièrement automatisé depuis l'introduction de STAR-CD, et tout est toujours entièrement automatisé avec Simcenter STAR-CCM+. Lors de la réalisation d'analyses, il est extrêmement important que tout soit standardisé afin qu'aucune variation aléatoire des résultats d'analyse ne soit introduite par les ingénieurs individuels. Ainsi, même si de nouveaux membres de l'équipe rejoignent un groupe, il n'y aura aucune différence dans les résultats analytiques produits. De plus, comme tout est complètement automatisé dans le script, une formation interne est offerte pour s'assurer que les membres puissent le comprendre. Cela permet d'éviter que le processus ne devienne une boîte noire et encourage les nouveaux membres de l'équipe à acquérir des compétences importantes pour réussir.

M. Kato apprécie également les services d'assistance technique que l'équipe a reçus en tant qu'utilisateur de longue date des produits CD-adapco. "L'équipe d'ingénierie du support technique offre des réponses très rapides", rapporte-t-il. "Quand on pense à un fournisseur de services étranger, on pourrait s'attendre à ce que le bureau japonais soit traité comme un simple point de relais, et que le contenu puisse être envoyé dans un format brut, sans avoir été entièrement compris, mais la qualité des services a été comparable à celle d'un fournisseur national." M. Hojo poursuit : "Les méthodes d'analyse sont complètement établies, mais nous espérons pouvoir travailler ensemble sur les développements technologiques pour aider à accélérer la boucle de développement."