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Aéronautique : le jumeau numérique électrique réduit les problèmes de conformité

Aéronautique : le jumeau numérique électrique réduit les problèmes de conformité

 

Il est de plus en plus difficile de livrer des avions et divers produits avioniques conformes aux normes et réglementations les plus récentes. Plusieurs tendances façonnant l’industrie expliquent notamment l’augmentation de complexité en grande partie responsable de cette situation.

Tout d’abord, les contraintes croissantes des missions entraînent la hausse des exigences en matière de performances des plates-formes. En fait, les clients exigent une plus grande capacité d’exécution de missions.

L’électrification représente la deuxième tendance. Les fonctions vitales pour cette capacité accrue sont de plus en plus implémentées en tant que fonctions électriques, au même titre que l’atterrissage automatique ou le système de divertissement en vol.
 
En outre des fonctionnalités mécaniques, pneumatiques et hydrauliques sont peu à peu remplacées par des mises en œuvre électriques. Par exemple, les systèmes Fly-by-Wire, les systèmes d’instruments de vol électroniques (EFIS) et les systèmes de vision combinée (CVS) sont désormais courants. Il n’est donc pas surprenant que l’avion plus électrique (MEA) représente aujourd’hui un thème dominant dans les avions commerciaux et de défense.

Respect des exigences de performances et de certification


Sur le plan commercial, les fabricants OEM de l’aéronautique doivent respecter la réglementation associée à la « certification de type ». De même, les fournisseurs de plates-formes de défense doivent démontrer qu’ils remplissent les exigences de performances associées à « l’acceptation du client ». De fait, honorer les délais de livraison des avions (tout en respectant les exigences de performances et de certification) est de plus en plus difficile pour les constructeurs à cause d’une telle complexité.

Or les méthodes utilisées pour répondre aux exigences de certification des avions sont totalement inappropriées. De nombreuses approches actuellement employées par les avionneurs et leurs fournisseurs ont été développées à l’époque des systèmes électriques simples. Ces approches obsolètes sont lentes, fastidieuses et reposent souvent sur l’échange physique d’informations. Les données essentielles sont transmises d’une équipe à l’autre de façon fragmentée, avec différents schémas, documents, feuilles de calcul et bases de données utilisés. En outre, les données sont souvent re-saisies manuellement pour effectuer des contrôles de vérification et des analyses. Ces approches sont sources d’erreurs et chronophages. Elles peuvent prendre tellement de temps qu’une fois terminées, la conception électrique de la plate-forme a déjà été modifiée, ce qui oblige l’équipe d’analyse à répéter le travail.

Pour éviter cette répétition, les analyses de conformité sont souvent repoussées jusqu’à la fin du programme, lorsque le système électrique est en grande partie terminé. L’identification des problèmes dans cette phase tardive entraîne des itérations de conception coûteuses ou le non-respect de jalons projet, ce qui au final, a un impact sur les revenus des avions.

Prise en compte de la complexité et diminution du risque de non-conformité


Pour diminuer le risque de non-conformité, Mentor, filiale de Siemens, a lancé un nouveau produit logiciel appelé Capital Load Analyzer, qui simplifie la conformité et la certification des systèmes électriques aéronautiques.
Technologie intégrée pour la première fois au cœur des outils de conception de systèmes électriques, Capital Load Analyzer exploite l’automatisation, la continuité numérique et le jumeau numérique des systèmes électriques pour prévoir la consommation électrique de la plate-forme.
Guidé par les normes MIL-E-7016F et MIL-W-5088L, Capital Load Analyzer représente un nouveau moyen efficace et rapide d’analyser la charge électrique, de façon évolutive, automatisée et continue. L’exécution de l’analyse est si rapide que les concepteurs peuvent l’appliquer immédiatement au fur et à mesure des itérations et de l’exploration pendant la conception du système électrique. De plus, en interrogeant le jumeau numérique électrique configuré, Capital Load Analyzer s’assure que la bonne version du système électrique est toujours évaluée. Ensemble, ces facteurs optimisent  l’innovation tout en réduisant les risques du programme.

 

Fonctionnement

L’outil de Siemens prévoit la consommation de l’ensemble du système électrique de l’avion tel qu’il est conçu et garantit une puissance suffisante pour chaque phase de vol (Fig. 1), même en cas d’urgence. L’outil de Siemens prévoit la consommation de l’ensemble du système électrique de l’avion tel qu’il est conçu et garantit une puissance suffisante pour chaque phase de vol (Fig. 1), même en cas d’urgence.

Figure 1 : Capital Load Analyzer s’assure que le système étudié délivre suffisamment de puissance pour le fonctionnement du système électrique dans chaque phase de vol.

 

En travaillant directement sur le jumeau numérique, les utilisateurs peuvent générer différentes analyses par simple pression d’un bouton. En plus de réduire le temps nécessaire à la vérification, cela permet aussi à l’utilisateur de vérifier en temps réel l’impact d’une modification spécifique sur la charge électrique et la gestion de la consommation chaque fois qu’une modification ou qu’une nouvelle itération est ajoutée. Les équipes impliquées dans tous les aspects de l’analyse de charge peuvent ainsi contrôler, analyser et vérifier virtuellement la conception en cours de réalisation. Les équipes n’ont plus à attendre l’étape d’intégration pour savoir si elles ont des problèmes de gestion de la charge. Les utilisateurs peuvent connaître les problèmes dès le début du programme, au moment de la conception. À présent, voyons comment cet outil est appliqué :

 

Étape 1 : Choix du système à analyser
La première étape consiste à décider quel système vous voulez analyser. À des fins de démonstration, supposons que vous voulez connaître la variation de charge admissible sur l’un des deux générateurs de votre système électrique. Nous appellerons ce générateur spécifique le « générateur gauche ». Nous avons besoin de voir comment le générateur gauche se comporte pendant différentes phases de vol et dans différentes conditions de charge. Nous voulons aussi comprendre comment ces variations affectent les sous-systèmes environnants.

Figure 2 : diagramme de charge.
Un diagramme de charge vous permet de consulter l’analyse de charge électrique individuelle de chaque objet qu’il contient. Dans l’image ci-dessus (Fig. 2), nous suivons les performances du générateur gauche (indiqué ici « GEN_LEFT » tout en haut à gauche).


Étape 2 : Analyse du sous-circuit associé

L’étape suivante consiste à examiner le schéma électrique effectif du sous-circuit analysé (ici « GEN_LEFT »). La structure hiérarchique du diagramme de charge permet de modifier les sous-systèmes qui représentent les blocs généraux (Fig. 3). Les concepteurs ont la possibilité de contrôler les schémas électriques et de modifier les éléments qui affecteront l’analyse globale dans le diagramme de charge. Ils peuvent également modifier le diagramme de charge en circulant entre les différents composants pour découvrir l’effet des modifications. Les utilisateurs bénéficient d’un plus grand contrôle, car ils peuvent tester différentes configurations, sans avoir à modifier les sous-systèmes que chaque élément représente.

Figure 3 : Schéma du sous-circuit.


Étape 3 : Configuration du scénario d’analyse

Capital Load Analyzer offre une interface utilisateur de gestion des données qui facilite la configuration des analyses à la demande de chaque composant du système dans le diagramme de charge (Fig. 4). Le gestionnaire de données permet aux utilisateurs de spécifier les phases de vol à analyser, les composants séparés, les catégories fonctionnelles, la puissance nominale, le facteur de puissance, la configuration, etc. Les utilisateurs peuvent également ajouter des notes, importer des données à partir d’un fichier csv ou mettre à jour les données d’analyse à partir des modifications de conception apportées aux composants. Toutes ces données sont ensuite utilisées dans le diagramme de charge pour effectuer des analyses à la demande.

Figure 4 : Fenêtre de gestion des données de Capital Load Analyzer.

 

CONTENU DE LA BARRE LATÉRALE : (DÉBUT)

                            
Efficace en autonomie, Capital Load Analyzer ne représente qu’un aspect d’une solution d’analyse de conformité plus large qui inclut le déclassement de câbles et la séparation de signaux 3D.

    • Déclassement des câbles

Le déclassement des câbles garantit que les interconnexions de la plate-forme sont dimensionnées pour transporter en toute sécurité le courant nécessaire à un circuit. Il tient compte des variations de la charge et des conditions environnementales (température et altitude). Le déclassement permet à l’utilisateur d’exécuter le scénario le plus pessimiste, d’analyser la consommation de courant et de localiser les incohérences. Il identifie également  les câbles « surdimensionnés », qui peuvent alourdir inutilement l’avion, affectent les distances de vol et limitent la capacité de chargement.

    • Séparation des signaux 3D

Cet outil évalue le schéma électrique pour déterminer la distance entre le signal spécifié et les lignes électriques de puissance. Il permet d’assurer la sécurité en vérifiant la séparation des signaux redondants et la distance d’isolation requise pour les lignes de forte puissance. Il peut également être utilisé pour minimiser les interférences électromagnétiques. Les utilisateurs sont en mesure d’identifier rapidement les problèmes de séparation des signaux, évitant ainsi les retouches coûteuses lors des phases ultérieures du programme.

CONTENU DE LA BARRE LATÉRALE : (FIN)

                            

Étape 4 : Exécution de l’analyse à la demande

La sélection de l’élément « GEN_LEFT » et l’exécution de l’analyse de charge font apparaître un tableau de données pour chaque condition de fonctionnement de cet élément. Par exemple, l’élément « GEN_LEFT » examinera chaque phase de vol et l’analyse de charge pendant des intervalles de 5 secondes, 5 minutes et continus (Fig. 5). Les utilisateurs peuvent voir la capacité de la source, les exigences de charge, le déséquilibre de phase, le facteur de puissance, etc. pour chaque intervalle de temps.

Figure 5 : Analyse de la charge pendant des intervalles de 5 secondes, 5 minutes et continus.

 

Les utilisateurs peuvent également représenter chaque ligne sur un graphique pour voir les charges pendant les différents intervalles de temps et les comparer à la puissance nominale de chaque élément (Fig. 6). Par exemple, si l’élément « GEN_LEFT » dispose d’une puissance nominale de 5 kVA, les charges observées pendant les intervalles de temps ne doivent pas dépasser cette limite.

Figure 6 : Analyse graphique.


Étape 5 : Génération d’un rapport automatisé

Les utilisateurs peuvent créer rapidement des rapports à partir de modèles (Fig. 7). Ces modèles peuvent extraire les données électriques effectives en temps réel, des tableaux d’analyse à partir d’éléments spécifiques, des tableaux d’analyse des charges pendant des intervalles de temps spécifiques et plus encore. Ils peuvent également extraire des données de systèmes d’information tiers, facilitant ainsi la création des justifications nécessaires pour démontrer la conformité. En outre, chaque fois que les résultats de conception ou d’analyse changent, ces rapports peuvent être facilement et automatiquement régénérés, mettant à jour toutes les données du rapport sans re-saisie manuelle. Les concepteurs des systèmes électriques gagnent ainsi du temps, ce qui leur permet de mieux respecter les étapes et délais du programme.

Figure 7 : Génération automatisée de rapports.


Nouvelles tactiques, nouveaux outils nécessaires

Les méthodes actuellement employées par les ingénieurs pour analyser la charge électrique sont souvent lentes, sujettes aux erreurs et font souvent référence à des versions obsolètes du système électrique de la plate-forme pour les raisons évoquées. Cela ne permet pas de démontrer la conformité, en particulier dans un monde de plus en plus complexe et en évolution rapide.

Capital Load Analyzer fournit aux équipes de développement de plates-formes un moyen automatisé d’analyser la charge électrique. Il exploite l’accès direct au jumeau numérique du système électrique configuré pour garantir des résultats précis, accélérer l’exécution et, surtout, s’assurer que la version correcte la plus récente est évaluée. Ce logiciel va encore plus loin dans l’automatisation en produisant rapidement des rapports faciles à comprendre, qui présentent des résultats d’analyse pouvant être retracés jusqu’aux livrables de conception qu’ils représentent. De cette façon, Capital Load Analyzer produit les justifications qui peuvent servir à démontrer la conformité aux exigences réglementaires et de performance.

 

 

Auteur :

Anthony Nicoli, Director Aerospace, IES Aerospace Market Development, Mentor, a Siemens business.

 

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