Par Pavak Mehta, ingénieur en acoustique, Trane, La Crosse, États-Unis. Avril 2014

La réduction du risque de rupture par fatigue des conduits de frigorigène reliant les compresseurs aux bobines du condenseur constitue un aspect essentiel de la conception d’une nouvelle configuration de refroidisseur à compresseur scroll.

Les équipes de recherche et développement utilisent traditionnellement une combinaison d’essais physiques et d’analyses conventionnelles par éléments finis afin de certifier les conduits, et plus particulièrement afin d’identifier et corriger d’éventuelles résonances qui pourraient générer un problème de fiabilité.

Toutefois, il s’agit d’une approche trop lente pour traiter des types de refroidisseurs affichant plus de 100 configurations de conduits de frigorigène. Trane a mis au point un nouveau workflow automatisé capable de développer des conceptions robustes. La méthodologie combine la conception d’expériences, la modélisation de surface de réponse et des algorithmes d’optimisation numérique afin de configurer les conduits de frigorigène de manière à réduire la contrainte à la vitesse de fonctionnement. Le workflow automatisé utilise les logiciels ANSYS en combinaison avec les outils d’optimisation paramétrique Optimus afin d’évaluer 10 alternatives de conception et d’affiner la géométrie du conduit de frigorigène jusqu’à ce que les contraintes liées au fonctionnement soient inférieures à la limite d’endurance, et ce en un temps équivalant à celui jadis nécessaire pour procéder à l’analyse d’une seule conception.

Processus manuel existant

Trane est le premier producteur au monde de refroidisseurs scroll à condensation par air à usage commercial et commercial léger, utilisés pour le conditionnement d’air, le refroidissement de processus, la réfrigération, la déshumidification et d’autres applications. La société propose une gamme de refroidisseurs allant de configurations de compresseurs single-scroll de moins de 15 tonnes à des compresseurs tandem de plus de 60 tonnes. Les conduits de fluide frigorigène sont dimensionnés de façon à pouvoir résister à de longues périodes de fonctionnement quasiment continu dans un environnement très exposé aux fortes vibrations générées par les cycles du compresseur. Les conduits configurés avec une fréquence de résonance différente de la fréquence de fonctionnement du compresseur affichent une durée de vie considérablement plus longue. Les fréquences de résonance de chaque conduit dépendent de la géométrie de celui-ci, et notamment de sa longueur totale, de ses courbes et des rayons de courbure. La géométrie de chaque conduit dépend elle-même des obstacles à éviter, tels que de l’équipement ou d’autres conduits.

Les conduits de frigorigène des refroidisseurs scroll sont conçus sur base d’une combinaison d’analyses par éléments finis et d’essais physiques. Une analyse dynamique par éléments finis est réalisée afin de prévoir l’étendue des contraintes générées par une unité de mouvement. Le compresseur est alors mis en route afin de déterminer le mouvement maximum auquel est soumis le conduit. Ces essais prennent du temps dans la mesure où ils doivent être effectués à de nombreuses vitesses différentes et dans plusieurs configurations, de façon à être certain d’avoir suscité toutes les résonances au maximum dans chaque conduit. Le mouvement observé lors du test est utilisé pour mettre à jour la contrainte constatée au moment du mouvement de l’unité et ainsi prédire la contrainte réelle à laquelle est soumis le conduit. Si la contrainte excède la limite de fatigue, la conception du conduit doit être modifiée. L’approche générale consiste à réduire la fréquence de résonance d’un conduit de frigorigène en augmentant sa masse et en réduisant sa rigidité. De même, pour augmenter la fréquence de résonance, l’équipe réduit la masse et augmente la rigidité du conduit. Chaque modification de conception nécessite de réitérer l’analyse. Il s’agit d’un processus fastidieux qui reposait traditionnellement beaucoup sur l’expérience de l’ingénieur.

Le refroidisseur nouvelle génération constitue un nouveau défi de conception

La création d’une nouvelle génération de refroidisseur scroll fournissant de meilleures performances va de pair avec une augmentation considérable du nombre de configurations, ce qui constitue un défi majeur. L’usage des méthodes traditionnelles actuelles d’analyse entraînerait une augmentation considérable de la quantité d’essais physiques nécessaires et retarderait le lancement du produit. Trane a examiné la possibilité d’adopter une approche alternative, à savoir le recours à un outil d’optimisation afin d’automatiser un workflow de simulation, lequel évalue les problèmes potentiels de résonance et procède par itération jusqu’à l’obtention de la solution générant le moins de contraintes.

Trane a utilisé Optimus de Noesis Solutions, une solution d’intégration de processus et d’optimisation de la conception qui combine différentes méthodes d’exploration conceptuelle et d’optimisation numérique. Optimus est étroitement intégré avec ANSYS Workbench, permettant à l’utilisateur d’interagir directement avec les paramètres de conception et les résultats d’analyse de Workbench. Au lieu de définir manuellement les règles de substitution et d’extraction des paramètres de conception des résultats d’analyse, il suffit à l’utilisateur de « glisser et déposer » l’icône de Workbench dans l’éditeur graphique de workflow d’Optimus. En formalisant visuellement le processus de simulation des conduits de frigorigène dans l’éditeur de workflow, Optimus établit une interface directe et automatique avec ANSYS Workbench.

Les ingénieurs de Trane ont construit un modèle CAO de compresseur scroll tandem et de configuration de conduit de frigorigène qu’ils ont ensuite importés dans ANSYS Workbench. Ils ont défini et paramétré les variables de conception pertinentes des conduits de frigorigène et ont identifié les bornes de chaque variable. L’équipe a ensuite fait usage du moteur de workflow d’Optimus, lequel pilote automatiquement l’exploration de la conception et le processus d’optimisation.

Automatisation du workflow de simulation

Le processus de simulation débute par le maillage du modèle et la mise en place des conditions limites. Ces compresseurs tandem sont conçus de manière à ne pas dépasser un certain mouvement vibratoire. Les ingénieurs de Trane ont utilisé la dynamique structurelle afin de déterminer la quantité de mouvement générée par une force de petite unité et ont ensuite effectué un rétrocalcul de la quantité de force requise pour produire un maximum de mouvement au sein d’un seul compresseur. Les deux compresseurs peuvent chacun générer cette force au cours de différentes phases ayant un lien entre elles. Les ingénieurs de chez Trane ont considéré quatre cas de charge basés sur des décalages de phase de 0, 90, 180 et 270 degrés entre les deux compresseurs. Par exemple, avec un décalage de phase de 0 degré, les deux compresseurs exercent une force maximale dans la même direction. Les ingénieurs ont utilisé ANSYS Mechanical pour procéder à une analyse des oscillations harmoniques forcées et ont employé des snippets de commande APDL afin d’extraire la contrainte équivalente maximale pour chaque charge, fréquence et angle de phase.

Les ingénieurs ont alors fait usage d’Optimus pour procéder à la conception d’expériences (DOE) sur le workflow de simulation afin d’explorer l’espace de conception avec un minimum d’effort de calcul. Une surface de réponse adaptée aux points de données révélés par le DOE sert de métamodèle fiable permettant d’identifier de manière efficace l’optimum global pour la configuration de conduits de frigorigène concernée. Le fait de procéder à l’optimisation de la conception directement sur le métamodèle permet d’éviter de devoir exécuter des itérations de simulation supplémentaires avec ANSYS Workbench, ce qui permet de gagner un temps considérable. Une optimisation locale à base de gradient est ensuite réalisée en relançant l’analyse des oscillations harmoniques forcées dans la zone de l’optimum global. L’exécution du workflow automatisé d’Optimus résulte en un ensemble optimisé de variables de conception de conduits de frigorigène, garantissant que les contraintes alternées locales liées au fonctionnement demeurent sous la barre des 5 000 psi.

La complexité croissante de la conception des refroidisseurs nouvelle génération a généré des défis pour les ingénieurs de Trane, ceux-ci devant garantir la robustesse de la conception des conduits de frigorigène. Trane est prêt à relever ce défi grâce à un processus d’optimisation piloté par Optimus, incluant la simulation d’ingénierie proposée par ANSYS, processus qui permet de réduire considérablement les contraintes dans chaque conduit tout en garantissant la conformité aux spécifications géométriques et fonctionnelles. Le futur processus est à même de réduire les contraintes sur les conduits de frigorigène des compresseurs scroll de Trane, les rendant plus robustes tout en permettant une introduction plus rapide des produits sur le marché ainsi qu’une réduction des efforts d’ingénierie au profit de tâches plus proactives.

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