Brevet FR3042294A1 — publié le 20170414

PROCEDE DE PREDICTION DES TEMPERATURES SUPPORTÉES PAR UN COMPOSANT, UN EQUIPEMENT OU UNE STRUCTURE D'UN VÉHICULE DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE L'invention se situe dans le domaine de l'analyse thermique en vue de prédire le champ de températures supportées par un composant, un équipement ou une structure d'un véhicule tel qu'un avion, un hélicoptère, une fusée, un satellite, un train, une automobile, un bus, ou un bateau. L'invention concerne également un dispositif et un programme d'ordinateur mémorisé sur un support d'enregistrement destinés à mettre en oeuvre le procédé selon l'invention. Ces champs de température sont ensuite utilisés par exemple pour calculer les charges et les champs de contraintes structurales pour la qualification environnementale, en particulier le domaine de température chaud/froid des matériaux et équipements, ou encore pour vérifier la durabilité opérationnelle de ces équipements et de ces structures. ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE L'analyse thermique concerne l'ensemble des moyens permettant d'estimer les températures supportées par un composant, un équipement ou une structure d'un véhicule. Cette estimation repose sur une analyse des lois de la physique des échanges thermiques (phénomènes de conduction, diffusion, convection, rayonnement, advection), et leur représentation sous forme mathématique, permettant de résoudre l'équation de la chaleur. Un des moyens connu pour réaliser cette estimation consiste à résoudre des modèles mathématiques par des moyens numériques, s'appuyant sur les méthodes des différences finies, des éléments finis, ou des volumes-finis. Les modèles thermiques de l'art antérieur destinés à prédire les champs de température pour un composant, un équipement, ou une structure d'un véhicule tel qu'un avion par exemple s'appuient sur plusieurs propriétés intrinsèques du véhicule telles que sa géométrie, ses matériaux, et les performances de ses systèmes, et sur des 3042294 2 paramètres extrinsèques comme les flux climatiques, le nombre de passagers, les opérations propres aux compagnies aériennes lorsqu'il s'agit d'avions, la peinture extérieure (la livrée) de l'avion, le profil de vol opérationnel, les opérations de maintenance, la nature du carburant, les quantités de vols.... Ces modèles thermiques 5 sont soit des modèles nodaux reposant sur la méthode des différences finies, soit des modèles reposant sur la technique des éléments finis ou bien des volumes-finis. Ces modèles thermiques reposent également sur un faible nombre de paramètres extrinsèques standardisés qui dépendent des conditions climatiques, des opérations standards de l'avion, ou encore de profils de vol standardisés. Les paramètres 10 extrinsèques qui sont introduits dans le modèle sont définis de façon à couvrir le domaine possible d'environnement climatique, le domaine possible d'opérations de l'appareil, les livrées possibles, de très claires à très sombres, des profils de vol typiques (exemple mission court courrier, moyen-courrier, long courrier, etc.), et du nombre de passagers dans la mesure où plusieurs scénarios peuvent être considérés selon le taux de 15 remplissage. Ainsi, par exemple, le domaine d'environnement climatique doit couvrir l'ensemble des conditions qui pourraient être rencontrées sur la totalité des aéroports mondiaux fréquentés par l'appareil, et l'intégralité des saisons, du froid extrême, au chaud extrême, et ce pour toutes les altitudes auxquelles l'avion pourrait voler. Pour les cas extrêmes de chauds et de froids, des normes ont été 20 définies à partir des documents décrivant les conditions climatiques extrêmes tels que par exemple des documents de normes militaires, ou bien des normes climatiques environnementales. Ces normes décrivent la climatologie du jour extrême considéré (température d'air, vents, flux solaires). Pour les livrées des compagnies aériennes, des niveaux théoriques sont considérés qui prennent en considération le fait que les couleurs 25 sombres absorbent davantage la chaleur que les couleurs claires. Au final, les températures ainsi estimées sur les composants, équipements ou structures d'un véhicule sont supposés être des cas enveloppe, et leur probabilité d'être dépassées est extrêmement rare car elle dépend d'un empilement de considérations critiques, de peinture, de climat, et d'opérations. 3042294 3 Concernant les analyses de durée de vie des composants, équipements ou structures d'un véhicule, les techniques de l'art antérieur reposent également sur un mélange de cas normalisés incluant un certain pourcentage de vols tropicaux, polaires, ou dans une atmosphère standard, avec une peinture d'une couleur donnée. Là encore, la 5 probabilité de réellement obtenir cette combinaison n'est pas déterminée, les marges ne sont donc pas connues. Un autre inconvénient de ces techniques provient du fait que les conditions réelles d'utilisation des appareils sont telles qu'on est loin d'atteindre les niveaux théoriquement calculés. Aussi, les procédés de l'art antérieur ne permettent-ils 10 pas de connaitre la probabilité d'atteindre ces températures, et donc de définir les marges par rapport à la réalité des opérations. L'invention vise à pallier les inconvénients de l'art antérieur décrit ci- dessus au moyen d'un procédé d'analyse fondé sur mesures réelles des conditions du vol d'un avion et sur des données climatiques réelles mesurées au cours des vols. 15 EXPOSÉ DE L'INVENTION L'invention préconise un procédé d'analyse thermique en vue de prédire le champ de températures auquel sera soumis un composant, un équipement ou une structure d'un véhicule. Ce procédé consiste à déterminer, pour ledit équipement, composant ou structure dudit véhicule, un spectre de probabilité de température en 20 fonction d'une pluralité de paramètres extrinsèques mesurés et/ou estimés pendant une période déterminée de fonctionnement du véhicule de manière à prédire l'influence de la température sur ledit équipement, composant ou structure en terme de durée de vie et/ou de contrainte structurale. Grâce à l'invention, la prédiction du champ de températures 25 supportables par un composant, un équipement ou une structure d'un véhicule repose sur une définition étendue des paramètres extrinsèques, permettant ainsi d'introduire la notion de distribution statistique de leurs valeurs, plutôt que de considérer des cas extrêmes ou typiques normalisés. Par conséquent, le résultat de l'analyse n'est plus seulement un niveau de température atteint pour chaque cas, mais un spectre de 30 température, selon sa probabilité d'occurrence, par équipement, composant, structure, 3042294 4 et ce sur le domaine complet de fonctionnement du véhicule, en prenant en compte les combinaisons possibles et en écartant les combinaisons improbables. Selon l'invention, ladite pluralité de paramètres extrinsèques comporte les conditions climatiques rencontrées par le véhicule pendant une période déterminée. 5 Lorsque le véhicule est un appareil volant, un avion ou un hélicoptère par exemple, ladite pluralité de paramètres extrinsèques comporte en outre les données climatologiques des aéroports fréquentés lors des vols, et les opérations propres à chaque aéroport tels que le temps de rotation entre deux vols, le temps de taxi entre le point de garage et la piste de décollage. 10 Selon une autre caractéristique de l'invention, pour chaque phase particulière du vol de l'avion, le spectre de température est déterminé en fonction d'une combinaison spécifique de paramètres extrinsèques. Préférentiellement, chaque combinaison spécifique comporte un nombre réduits de paramètres extrinsèques de manière à améliorer la précision et la 15 définition des prédictions de champs de températures. Le procédé selon l'invention est mis en oeuvre au moyen d'un dispositif d'analyse thermique comportant un module de calcul et un module d'analyse adaptés pour déterminer, pour ledit équipement, composant ou structure dudit véhicule, un spectre de probabilité de température en fonction d'une pluralité de paramètres 20 extrinsèques mesurés et/ou estimés pendant une période déterminée de fonctionnement du véhicule de manière à prédire l'influence de la température sur ledit équipement, composant ou structure en terme de durée de vie et/ou de contrainte structurale. BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la 25 description qui va suivre, prise à titre d'exemple non limitatif, en référence aux figures annexées dans lesquelles: - la figure 1 illustre un schéma de principe d'un dispositif destiné à mettre en oeuvre le procédé selon l'invention. - la figure 2 illustre schématiquement les étapes d'un mode particulier 30 de mise en oeuvre du procédé selon l'invention. 3042294 5 EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS L'invention sera décrite dans un exemple particulier de mise en oeuvre du procédé selon l'invention destiné à définir un modèle thermique et opérationnel qui induirait des températures extrêmement chaudes ou extrêmement froides, avec une 5 probabilité connue d'occurrence. Ce modèle est établi par la mesure et l'analyse d'un grand nombre de conditions climatiques qui pourrait être rencontré par un avion pour un grands nombre de vols successifs opérés par cet avion au cours d'une période complète de fonctionnement de l'avion, une année par exemple, en prenant en considération les conditions climatiques des aéroports fréquentés et les opérations propres à l'aéroport 10 telles que par exemple le temps de rotation entre deux vols, le temps de taxi entre le point de garage et la piste de décollage, ou tout autre paramètre pouvant influer sur les températures. Par modèle thermique, il est entendu un modèle numérique (par exemple de type différences finies), permettant de représenter l'ensemble des échanges 15 de chaleur affectant un composant, un équipement ou une structure d'un véhicule sous la forme de l'équation de la chaleur et dont la résolution permet l'estimation des températures de ceux-ci. Les modèles thermiques développés dans le cadre de l'invention sont de nature transitoire dans la mesure où ils permettent l'estimation temporelle des évolutions de températures, résultant de fluctuations temporelles de flux de chaleurs, de 20 diffusion de la chaleur à travers les matériaux, de la chaleur accumulée par l'inertie thermique de ceux-ci. Le dispositif de la figure 1 comporte un module de calcul 2 destiné à générer un modèle thermique et un module d'analyse 4 destiné à calculer un spectre de probabilité de température. 25 Comme cela est illustré schématiquement par la figure 1, pour le calcul du modèle thermique, les entrées du module de calcul 2 comportent des données des vols à long terme, des données climatiques mesurées et/ou estimées au cours de ces vols telles par exemple que la température de l'air T, la température au sol T, la température du vent T des différents aéroports, des données relatives à la position géographique de 30 l'avion (longitude, latitude, altitude), la date, l'heure, l'incidence, le cap et la vitesse de 3042294 6 l'avion. Le traitement de ces données d'entrée par le module de calcul 2 fournit des températures extrêmement chaudes ou extrêmement froides. Ces températures sont ensuite analysées par le module d'analyse 4 pour fournir un spectre de températures. La figure 2 illustre schématiquement les étapes du calcul du modèle 5 thermique. A l'étape 10, on mesure les données de vol de l'avion sur une phase particulière de vol ou d'opération. Cette étape 10 consiste à réaliser un modèle thermique transitoire (par exemple, numérique, basé sur la méthode des volumes-finis). Ce modèle thermique représente les échanges de chaleur dans les structures, les équipements et compartiments qui constituent la zone d'étude (conduction et diffusion, 10 inertie thermique dans les matériaux de structure, convection avec l'air ambient des compartiments, rayonnement infra-rouge entre les parois des compartiments, flux advectifs apportés par les ventilations ou mouvements d'air). Il inclut les dissipations de chaleur des composants internes (électriques, électroniques, moteurs, systèmes hydrauliques ou thermiques ou autres dont les parois chaudes évacuent leur chaleur dans 15 la zone d'étude). Enfin, le modèle thermique inclut les échanges de chaleur avec l'environnement extérieur (flux de rayonnement solaires, terrestres et atmosphérique, convection avec l'air atmosphérique, échauffement cinétique en vol) et ce de façon à représenter la séquence d'un vol complet de façon transitoire. Le modèle thermique détaillé est défini de manière à représenter 20 finement les échanges de chaleur et non seulement le phénomène prépondérant, avec une résolution spatiale assez fine pour estimer les gradients thermiques. Ainsi par exemple, dans l'exemple d'utilisation d'un modèle volumes-finis, la taille des volumes représentatifs requise peut atteindre quelques millimètres à quelques centimètres, à l'échelle représentant un compartiment d'avion complet de plusieurs mètres. 25 Le modèle thermique détaillé comporte des propriétés et conditions aux limites qui sont intrinsèques au concept de l'avion (par exemple le dessin des pièces, leurs caractéristiques géométriques, épaisseurs, matériaux, etc.). Il comporte également des conditions aux limites extrinsèques, non liées au concept de l'avion mais à son utilisation opérationnelle, par exemple, des conditions aux limites modélisant les flux climatiques, 30 ou bien influencées par la définition de la trajectoire lors du vol, le nombre de passagers 3042294 7 embarqués, les volumes de fuel embarqués, la peinture extérieure propre à la compagnie aérienne, etc.. A l'étape 12, on réduit le modèle détaillé tout en conservant les conditions aux limites extrinsèques comme paramètres d'entrée communs aux modèles 5 détaillés et réduits. Cette étape consiste à développer un modèle thermique transitoire simplifié, à partir du modèle détaillé développé à l'étape 10. Dans l'optique des étapes suivantes, le prérequis de cette réduction de modèle repose sur le fait que les modèles détaillés et réduits doivent partager les mêmes conditions aux limites extrinsèques. Par 10 exemple, dans le cas d'un modèle volume finis, il est possible de réduire le modèle en regroupant les volumes qui sont soumis aux mêmes conditions aux limites (intrinsèques ou extrinsèques) que les volumes adjacents. L'objectif de cette étape est de produire un modèle thermique suffisamment rapide à résoudre de façon à étendre la plage temporelle de résolution d'un vol (par exemple, 1 à 12 heures de temps d'opération) à 15 une année complète d'opérations (par exemple 5000 heures), voire plusieurs années. Pour vérifier la qualité de réduction du modèle thermique réalisé, on effectue un test de recette pour vérifier le gain en temps de résolution sur un cas test de calcul (par exemple pour la durée d'un vol), et quantifier les approximations en température induites par la perte de résolution du modèle simplifié par rapport au 20 modèle détaillé issu de l'étape 10, ce afin de réaliser au mieux le compromis gain de temps/résolution, selon la précision requise par l'étude. L'étape 14 consiste à développer une base de données des paramètres extrinsèques pour couvrir une période complète de fonctionnement de l'avion. Cette période peut être par exemple une année ou plus. 25 L'étape 16 consiste à décrire les variations des paramètres extrinsèques en fonction du temps au cours de la période complète de fonctionnement de l'avion. Cette description tient compte: - de l'altitude, la latitude, et de la longitude de la trajectoire de l'avion, 30 - de la vitesse de l'avion, du cap par rapport au nord, 3042294 8 - du flux climatique : température d'air du flux (vecteurs) solaires et albédo, rayonnements infra-rouge descendant et remontant, vitesse, direction, turbulence des vents, - de l'incidence de l'avion. 5 La description de l'étape 16 tient compte également des opérations de l'avion au sol de façon à définir les conditions aux limites d'utilisation de ses différents équipements, et des infrastructures aéroportuaires. Ces opérations sont par exemple : le remplissage des réservoirs de kérosène (heure de remplissage, durée, quantités par réservoirs, température), 10 heure, durée d'utilisation des auxiliaires de puissance, des moyens sols de l'aéroport (air, électricité), heure, durée de débarquement/embarquement des passagers, nombre de passagers et membres d'équipage, le temps de rotation entre deux vols, le temps de taxi entre le point 15 de garage et la piste de décollage, ou tout autre paramètre pouvant influer sur les températures. Pour chaque appareil considéré la description de l'étape 16 tient compte également des variables extrinsèques liées à la personnalisation de l'avion par la compagnie aérienne telles que par exemple les équipements optionnels embarqués, la 20 livrée (peinture extérieure) de l'avion et ses propriétés thermo-optiques. L'étape 18 consiste à injecter dans le module de calcul 2 des paramètres extrinsèques définis dans le calcul séquentiel du modèle réduit de l'étape 12. A cet effet, la base de données de l'étape 14 sera utilisée pour générer les conditions aux limites extrinsèques sur l'intégralité de la plage de temps de résolution 25 (de plusieurs vol jusqu'à une ou plusieurs années) pour le (ou les) modèle(s) d'avion étudié(s). Par exemple, pour un modèle volume-finis de compartiment d'avion, ces conditions aux limites extrinsèques seront définies comme des tables temporelles de valeurs de flux solaire, température d'air, rayonnement atmosphérique, qui sont des données d'entrée du modèle thermique réduit. 3042294 9 L'étape 20 consiste à calculer la température pour la totalité de la plage temporelle considérée. Afin de générer les résultats en température et d'en optimiser la résolution, une attention particulière sera portée sur la maitrise des pas de temps de 5 calcul. En effet, de la finesse de celui-ci dépend la précision des analyses possibles aux étapes suivantes, en particulier les hautes fréquences (pas de temps faibles) permettent d'estimer finement la probabilité des évènement rares (au détriment du temps effectif de résolution du modèle), et la relaxation du pas de résolution à des basses fréquences (pas de temps élevés) pendant les longues phase de vol ou au sol, peuvent permettre 10 d'améliorer le temps de résolution effectif. L'utilisation d'un pas de temps constant (ou bien variable) et la plage de valeur définie pour ce pas de temps résulte donc d'un compromis entre la performance du modèle réduit évalué à l'étape 12, la précision requise pour les étapes suivantes, et la bonne convergence numérique du modèle thermique réduit dans l'exemple d'un modèle de type volumes-finis. 15 L'étape 22 consiste à déterminer à partir des résultats de calcul de l'étape 20, un spectre de probabilité de température pour chaque élément dont le modèle thermique de l'étape 12 est représentatif (structure, équipement, compartiment, etc.). Par exemple, en analysant le grand nombre de températures générés 20 pour l'intégralité de la plage temporelle considérée, il est possible de décrire ce résultat, non pas sous la forme d'un histogramme chronologique, mais sous la forme d'une ou plusieurs répartitions statistiques indiquant par exemple : - La probabilité d'être en-dessous ou au-dessus d'une température donnée - dans l'intervalle [minimum- maximum] des températures possibles calculées 25 - La probabilité d'être à une température donnée, - La probabilité d'atteindre le maximum ou le minimum de température, et la valeur de l'extremum, - La valeur de température à une probabilité donnée. 3042294 10 A cette fin, il est également possible de relier les résultats avec les bases de données obtenues à l'étape 16, de manière améliorer les traitements statistiques possibles. Par exemple, il est possible d'estimer la probabilité ou la répartition 5 statistique des températures dans une phase d'opérations ou de vols spécifiques (par exemple, la répartition statistique des températures à l'instant de l'atterrissage ou à l'instant de mise en route des systèmes électriques). Notons que les données recueillies sont stockées dans la base de données et peuvent être utilisée pour: 10 - redéfinir des nouvelles normes climatiques et opérationnelles qui induiraient des températures extrêmement chaudes ou extrêmement froides, avec une probabilité connue d'occurrence, et dont le jeu de paramètres extrinsèques permettant de les obtenir peut être déterminé, - alimenter des analyses de durée de vie, avec un spectre thermique basé sur la 15 probabilité réelle ou théorique et non plus sur un nombre limité de cas discrets, pour un type d'avion, pour une compagnie aérienne ou une flotte d'appareils opérés dans certaines régions, etc. Le procédé selon l'invention permet de se concentrer sur une phase de vol ou d'opération particulière. Il est alors possible de définir le spectre de température 20 qui pourrait être rencontré, par les appareils d'une compagnie donnée, par exemple en phase d'approche, à 10 000 mètres d'altitude, avec un intervalle de confiance de 80%. En améliorant la connaissance statistique des distributions de température, on peut s'attendre à réduire le nombre de cas nécessitant des investigations particulières, en maîtrisant les marges, en lieu et place de l'approche de l'art antérieur qui analyse 25 forfaitairement des cas enveloppes dont la probabilité n'est pas avérée ou connue. Grâce à cette analyse statistique, reposant sur des spectres de température, il est possible de définir un petit nombre de combinaisons de paramètres extrinsèques à analyser pour le développement d'un avion (charges, analyses de contraintes structurales, ou de performances systèmes ou équipements). Cette courte 30 liste de paramètres combinés peut ensuite être introduite dans le modèle thermique natif 3042294 11 (non réduit), de façon à améliorer la précision et la définition des prédictions de champs de températures. Le procédé selon l'invention permet ainsi de déterminer les marges entre les températures constatées (ou simulées) en service, et les températures de 5 dimensionnement. Ce procédé peut également être utilisé pour investiguer des dimensionnements de composants sensibles, à faible marge en température. REVENDICATIONS1. Procédé de mesure et d'analyse d'une pluralité de paramètres extrinsèques relatives aux conditions climatiques rencontrées par un véhicule en vue de prédire le champ de températures supportées par un composant, un équipement ou une structure du véhicule, caractérisé en ce que l'on détermine, pour ledit équipement, composant ou structure, un spectre de probabilité de température en fonction de la pluralité de paramètres extrinsèques mesurés et/ou estimés pendant une période déterminée de fonctionnement du véhicule de manière à prédire l'influence de la température sur ledit composant, équipement ou structure en terme de durée de vie et/ou de contrainte structurale. 2. Procédé selon la revendication 1 dans lequel lorsque ledit véhicule est un avion, ladite pluralité de paramètres extrinsèques comporte en outre les données climatologiques des aéroports fréquentés lors des vols de l'avion, et les opérations propres à chaque aéroport tels que le temps de rotation entre deux vols, le temps de taxi entre le point de garage et la piste de décollage. 3. Procédé selon la revendication 2 dans lequel, pour chaque phase particulière du vol de l'avion, le spectre de température est déterminé en fonction d'une combinaison spécifique de paramètres extrinsèques. 4. Procédé selon la revendication 3 dans lequel ladite combinaison spécifique de paramètres extrinsèques comporte un nombre réduits de paramètres de manière à améliorer la précision et la définition des prédictions de champs de températures. 5. Dispositif de mesure et d'analyse d'une pluralité de paramètres extrinsèques relatives aux conditions climatiques rencontrées par un véhicule en vue de prédire le champ de températures auquel sera soumis un équipement ou une structure d'un véhicule, caractérisé en ce qu'il comporte un module de calcul (2) et un module 3042294 13 d'analyse (4) adaptés pour déterminer, pour ledit équipement, composant ou structure dudit véhicule, un spectre de probabilité de température en fonction de la pluralité de paramètres extrinsèques mesurés et/ou estimés pendant une période déterminée de fonctionnement du véhicule de manière à prédire l'influence de la température sur ledit 5 équipement, composant ou structure en terme de durée de vie et/ou de contrainte structurale. 6. Programme d'ordinateur enregistré sur un support comportant des instructions pour réaliser les étapes du procédé selon l'une des revendications 1 à 4 10 lorsqu'il est exécuté par un ordinateur.