Certification Virtuelle de l’interaction caténaire pantographe (CVI CAP)
Mots clés : effets aérodynamiques, dynamique de caisse, plateforme multi-physiques, automatisation et optimisation, analyse de sensibilité, robustesse, traitement de données, simulation multi-corps.
Enjeux et objectifs
Le contexte actuel du réchauffement climatique a accru l’engouement mondial pour des mobilités et une logistique écoresponsable et durable. Le transport ferroviaire est reconnu comme un concept de mobilité avec une empreinte environnementale faible relativement à sa capacité de transport. En effet, il repose essentiellement sur des motorisations électriques et a déjà intégré la récupération de l’énergie via des systèmes de freinage régénératif. Il utilise l’énergie électrique distribuée par un réseau de caténaires. Son principe de fonctionnement est basé sur le captage de courant par contact glissant, généré par un ensemble pantographe-caténaire.
Parallèlement, l’évolution du monde de l’infrastructure ferroviaire s’est vue limitée par la domination des transports routiers et aériens ces dernières années. De ce fait, la mise en service d’un nouveau matériel ferroviaire reste soumise à une homologation basée essentiellement sur des essais de circulation via des infrastructures ferroviaires exploitées.
Ces essais d’homologation ont notamment pour objectif de valider la qualité du captage selon un référentiel européen (EN 50367), dans toutes les situations de fonctionnement et dans toutes les conditions climatiques que devra rencontrer le train au cours de son exploitation. Ces essais à charge du constructeur ferroviaire sont imposés par les exploitants et contrôlés par les autorités de sécurité ferroviaire. Il s’agit alors d’une relation tripartite issue de la collaboration du constructeur ferroviaire, du fournisseur de pantographe et du gestionnaire du réseau ferré pour la mise à disposition de sillons destinés aux essais en ligne.
Historiquement partenaire des acteurs ferroviaires depuis 1989, certains cas d’étude traités par CIMES illustrent parfaitement la complexité du processus d’homologation du pantographe. A titre informatif, pour un train régional décliné en 5 typologies de rames élémentaires, il a été identifié plus de 1000 situations de fonctionnement. L’ensemble de ces situations ayant fait l’objet d’analyses préliminaires pour aboutir à un programme d’essais d’homologation (diversité des matériels roulants, typologie de caténaire, conditions de circulations, …). L’homologation du train peut alors durer jusqu’à 12 mois, dont deux consacrés quasi exclusivement aux essais en ligne.
En conséquence et au-delà du coût de ces essais, le temps de mise sur le marché des solutions ferroviaires est fortement pénalisé, par deux principaux facteurs :
Ξ L’inertie de la procédure d’homologation;
Ξ La rareté des sillons disponibles pour les essais obligatoires sur les voies en exploitation.
Ces dernières années, la volonté de réduire les temps d’homologation s’est combinée aux avancées considérables des moyens de simulations numériques. Ceci ayant conduit les équipes de CIMES à accompagner les acteurs ferroviaires dans la transition vers une certification virtuelle identifiée comme une voie d’accélération des temps de développement. Cette reconnaissance de la simulation numérique comme moyen de certification virtuelle face à des exigences normatives (EN 50318) ne signifie pas la suppression de tous les essais physiques mais la réduction drastique du nombre d’essais en ligne.
Trois verrous technologiques ont alors été identifiés, confirmant la politique de CIMES en terme d’innovation :
Ξ La co-simulation organisée grâce à la communication des différents codes de calculs et des différentes échelles physiques pour la définition de l’interface pantographe et caténaire ;
Ξ L’automatisation des processus de calcul;
Ξ Le traitement des données de calculs et d’essais à l’aide d’outils d’intelligence artificielle.
Reconnu dans le monde de la simulation numérique, ces travaux ont notamment permis à CIMES d’être sélectionné lauréat du programme territoires d’industrie, notamment vis-à-vis des engagements portés en matière de modernisation et de transition écologique.
Prestations CIMES
Ξ Simulation de l’interaction dynamique pantographe / caténaire.
Ξ Simulations CFD pour la prise en compte des effets aérodynamiques sur le pantographe (vent traversier, sens de circulation, passage d’obstacles, …).
Ξ Simulations multi-corps pour la prise en compte de la dynamique de rame (débattement, défaut de voie, …)
Ξ Mise en place d’une plateforme multi-physiques pour la certification virtuelle de l’interaction pantographe caténaire (workflow).
Ξ Automatisation par plan d’expériences de l’évaluation numérique de toutes les situations de fonctionnement grâce au cluster HPC de CIMES.
Ξ Analyses stochastiques pour étudier l’influence des incertitudes sur la qualité de captage de courant.
Ξ Traitement des bases de données essais et calculs (détection des situations de fonctionnement critique) et définition des processus d’intelligence artificielle.
