Le jumeau numérique, plus loin que la simulation

Le jumeau numérique va jouer un rôle clé, assure ANSYS. Il fournit aux ingénieurs les outils pour innover et faire évoluer les produits tout au long de leur cycle de vie.

Le jumeau numérique enrichit la simulation : il permet aux ingénieurs d’être plus créatifs et d’imaginer un plus grand nombre d’options de conception. ANSYS s’en est fait une spécialité : ses logiciels permettent d’évaluer rapidement des milliers d’options pour optimiser la conception des produits.

Depuis longtemps, la simulation numérique est utilisée pour améliorer la conception des produits et des process : elle permet d’évaluer un grand nombre d’alternatives de conception avant la construction de prototypes physiques. Elle permet également de modéliser différents scénarios opérationnels et de les intégrer aux algorithmes de contrôle/commande pour mieux piloter les équipements. L’émergence de l’IoT ouvre de nouvelles opportunités : le modèle de simulation peut être connecté au produit réel via des capteurs qui recueillent les données du terrain et des actionneurs qui en contrôlent le fonctionnement. C’est le principe du jumeau numérique, lequel permet de diagnostiquer et d’analyser le produit ou le process en temps réel et d’optimiser son fonctionnement et sa maintenance.

Le jumeau numérique peut consister en un modèle de simulation qui réplique les conditions effectives d’exploitation, incluant par exemple l’usure ou le fonctionnement en mode dégradé. Les données provenant des capteurs sont transmises au jumeau numérique, qui peut alors être re-calibré. Ce qui veut dire encore que le jumeau numérique est en mesure de fournir des prédictions plus réalistes qui vont servir à déterminer la cause principale des problèmes de performance, à évaluer différentes stratégies de contrôle, à établir des plannings de maintenance optimisés, etc. Mais, le jumeau numérique peut également fournir des données qui ne peuvent pas être mesurées à l’aide de capteurs, comme la vitesse d’écoulement à l’intérieur des cavités.

Prédire des pannes

ANSYS a récemment démontré l’intérêt du jumeau numérique pour diagnostiquer les problèmes de fonctionnement, prédire les pannes potentielles et prendre des actions correctives immédiates. Prenons l’exemple d’une pompe motorisée à l’intérieur d’un système hydraulique comprenant des vannes d’aspiration et de refoulement. Le moteur et la pompe sont équipés de capteurs qui mesurent les principaux paramètres de fonctionnement : débit massique, pression, vibrations et tirage courant. Des actionneurs contrôlent le fonctionnement des vannes. Un algorithme de machine learning permet de prédire combien de jours la pompe fonctionnera avant de tomber en panne. Un opérateur introduit alors une anomalie en fermant la vanne d’aspiration à 50%. Les mesures fournies par les capteurs montrent immédiatement quelque chose d’anormal : une chute brutale de la pression d’entrée, de la pression de sortie et du débit de la pompe, et un bruit anormalement élevé. Cependant, les valeurs mesurées par les capteurs ne permettent pas de faire de diagnostic, ni de comprendre pourquoi la pompe vibre. Ces mesures ne suffisent pas non plus à déterminer ce qui se serait passé si des actions correctives avaient été prises.

Les ingénieurs ont fait appel au jumeau numérique pour comprendre et résoudre le problème. Les données relevées par les capteurs et transmises via Internet sont utilisées comme données de référence pour les modèles de simulation du système et de ses composants. Le modèle de simulation présente immédiatement les mêmes symptômes que le modèle physique, à savoir une baisse de pression et de débit. Mais, à la différence du produit physique visible uniquement de l’extérieur, le jumeau numérique permet d’aller à l’intérieur du modèle virtuel pour mieux comprendre ce qui se produit. Les ingénieurs constatent alors une cavitation du fluide à l’intérieur du modèle de simulation de la pompe. Ce phénomène de cavitation résulte de la chute de pression à l’intérieur de la pompe provoquant la formation de cavités remplies de vapeur, essentiellement des bulles. Dans les endroits où le fluide est soumis à une pression plus élevée, ces bulles implosent et génèrent du bruit. Les ingénieurs ont ensuite utilisé le jumeau numérique pour évaluer différentes modifications. Ils ont pu ainsi montrer qu’une ouverture de la vanne d’aspiration à 100% rétablirait la pression et le débit à des niveaux normaux.

Adapter la maintenance, optimiser la performance des actifs

Au-delà de cet exemple simple, le concept de jumeau numérique s’étend plus largement à des installations complexes comme les raffineries de pétrole, les lignes d’assemblage d’automobiles, les parcs d’éoliennes, les projets de construction à grande échelle, etc. Dans chacun des cas, les capteurs récupèrent les données qui alimentent les modèles de simulation pour aider à mieux comprendre l’état de l’installation. Des algorithmes d’apprentissage machine qui tournent en local ou sur le cloud utilisent les informations provenant de l’installation réelle et du modèle virtuel pour optimiser ses performances, planifier les opérations de maintenance, faire des contrôles, envoyer des alertes aux opérateurs, fournir des rapports, etc. Pour la maintenance de la pompe, il est par exemple possible de montrer au personnel d’exploitation les lignes d’écoulement du flux à l’intérieur de la pompe superposées à une image réelle pour les aider à rapidement comprendre et diagnostiquer les problèmes.

Grâce au jumeau numérique, les entreprises pourront analyser leurs équipements connectés dans les conditions réelles d’exploitation et prendre des décisions éclairées pour améliorer leurs performances, assure ANSYS. La simulation physique et la simulation système couplées à l’analyse des big data et à l’intelligence artificielle permettent de réduire les risques de panne, d’éviter les temps d’arrêt non planifiés et d’accélérer le développement de nouveaux produits. Les gains de productivité qui en résultent auront un impact considérable sur les résultats financiers des entreprises, ainsi que sur l’économie mondiale. Le jumeau numérique aidera les entreprises à effectuer des diagnostics et des dépannages, à adapter la maintenance, à optimiser la performance des actifs et à trouver des idées pour améliorer la prochaine génération de produits.