Cas utilisateurs

Une société d'ingénierie d’éolienne offshore s'appuie sur l'analyse structurelle pour concevoir des débarcadères capables de résister à la force des vagues et aux chocs causés par des navires de 200 tonnes.

Par Joseph Carew
Septembre 2024

La mer s'agite et un navire est ballotté d'avant en arrière tandis que le personnel de maintenance s'approche d'une éolienne en mer. L'embarcation est plaquée contre le débarcadère de l'éolienne, spécialement conçu à cet effet, et les membres de l'équipage commencent à débarquer. Alors que ces derniers se déplacent du bateau à l'éolienne, une vague fait rouler le navire et le fait revenir vers les membres de l'équipage qui se trouvent encore sur la partie inférieure du débarcadère. Heureusement, la catastrophe est évitée car les garde-corps en acier absorbent l'impact et le transfert se poursuit en toute sécurité.

En raison de la force implacable de la mer, de la vulnérabilité du personnel lors des transferts et des interactions fréquentes avec des navires lourds, il est évident que les débarcadères doivent être solides. Pour renforcer cette solidité, on peut ajouter de l'acier, mais sans les bonnes informations pour orienter les décisions, les ingénieurs concepteurs risquent d'ajouter des matériaux à des éléments qui n'en ont pas réellement besoin, ce qui alourdira inutilement la facture finale. C’est pourquoi il est essentiel de concevoir les débarcadères en tenant compte non seulement de la sécurité et de la solidité de la structure, mais aussi de l'utilisation optimale des matériaux, pour que les éoliennes en mer soient durables.

Pour relever ces défis, Wood Thilsted, leader dans le domaine de l'ingénierie offshore, a développé tout un processus de création, de test et de validation des conceptions pour les débarcadères. Le tout, de manière rentable et efficace — en gardant à l’esprit la mer et la sécurité. Plus précisément, l'équipe a utilisé le logiciel de simulation COMSOL Multiphysics^® pour réduire la charge de travail, minimiser les erreurs potentielles et automatiser un grand nombre de ses processus de conception.

Vue aérienne d'une personne équipée d'un casque de protection grimpant à l'échelle d'un débarcadère, avec un navire plaqué contre le fond du débarcadère.

Figure 1. Navire accostant une éolienne.

Les défis de l'accostage

En règle générale pour un projet, l'équipe de Wood Thilsted consacre un à deux mois à la conception d'un nouveau débarcadère capable de résister pendant 30 ans aux impacts de la houle et des navires de 200 tonnes. Louise Bendtsen, ingénieure structure senior chez Wood Thilsted, explique qu'une fois réduits à leur conception la plus basique, ces débarcadères peuvent sembler d'une simplicité trompeuse. Mme Bendtsen raconte: "Quelqu'un a dit un jour : 'Ce ne sont que des tubes ! Ce n'est pas si difficile.' Mais c'est vraiment un défi." Les exigences imposées dans la réalité rendent la conception des débarcadères de bateaux offshore difficile.

"La difficulté de la conception réside dans le fait que nous avons un ensemble d'exigences avec différents cas de charge, et que ces exigences sont contradictoires. Je peux passer beaucoup de temps à optimiser un élément de la conception, puis me rendre compte qu'il ne fonctionne pas pour un autre cas de figure," explique Mme Bendtsen. "[En tant que concepteur, cela signifie] qu'il faut avoir une vision plus large de la structure dans son ensemble et que nous ne pouvons pas passer trop de temps à nous focaliser sur un petit détail, car cela ne fonctionnera tout simplement pas."

Pour le personnel de maintenance, il est capital de pouvoir se déplacer en toute sécurité du navire à l'éolienne en utilisant le débarcadère, et cela accroît la complexité de la conception de ce dernier. Durant cette manœuvre, la proue du navire de 200 tonnes spécialement conçu est plaquée contre les garde-corps du débarcadère pendant que le personnel se hisse sur l'échelle de la structure et se met en sécurité. Un débarcadère doit pouvoir résister à ces impacts ainsi qu’aux forces des vagues auxquelles il sera soumis tout au long des 30 années de sa durée de vie. Les ingénieurs doivent également prendre en compte les cas d'accidents éventuels, tels que les collisions involontaires, et ce en plus de répondre aux exigences générales relatives aux cas de charge.

Déterminer l'état limite ultime et l'état limite de fatigue

Pour mieux comprendre les capacités des différentes conceptions, l'équipe de Wood Thilsted a eu besoin d’un logiciel de simulation capable de modéliser une vague à l'état limite ultime (en anglais, ultimate limit state, ULS) ainsi qu'une vague à l'état limite de fatigue (en anglais fatigue limit state, FLS), et s'est donc tournée vers le logiciel COMSOL Multiphysics^®. La vague ULS représente les forces maximales qu’un débarcadère est censé supporter durant sa durée de vie prévue, et la vague FLS représente l’impact cumulé de 30 ans de houle et de rotations de l’équipage. Les vagues ULS et FLS sont les cas de charge qui régissent toute solution de conception potentielle pour assurer la sécurité de l’accès aux éoliennes en mer.

Modèle de débarcadère avec des flèches rouges à gauche sur son échelle, illustrant les forces latérales agissant sur la structure en mer.

Graphique en 3D montrant les points importants de déformation dans la conception d'un débarcadère de bateaux en mer, dans la palette de couleurs arc-en-ciel.

Figure 2. Modèles de visualisation des forces agissant sur la conception du débarcadère de bateaux en mer. À gauche : les flèches rouges indiquent les forces latérales. À droite : Un tracé de surface met en évidence les points importants de déformation dans la conception

Les débarcadères étant constitués d'échelles, de garde-corps, d’éléments de fixation et de nombreux autres composants, l'équipe de Wood Thilsted doit être en mesure de tester un grand nombre de conceptions différentes afin de garantir la sécurité des utilisateurs. Cependant, modifier chaque pièce individuellement et recréer l'ensemble de la géométrie prend beaucoup de temps. En utilisant l'environnement optimisé du logiciel COMSOL^®, l'équipe ajuste, teste et améliore rapidement les mesures clés, notamment la distance entre les barreaux, la largeur de l'échelle, l'espace entre les garde-corps et la distance d'enjambement.

Gros plan d'une échelle sur un débarcadère avec annotations pour le longeron, le garde-corps et les éléments de fixation.

Figure 3. Eléments de conception d'un débarcadère de bateaux.

Aboutir à une conception

Les débarcadères conçus par Wood Thilsted sont constitués d'acier et comportent trois séries de supports d'échelle horizontaux soudés à la pièce de transition de l'éolienne, à l'endroit où cette dernière entre en contact avec l'eau. Le support supérieur est un élément de fixation soudé à une bride, qui sert de retenue verticale pour le débarcadère. Les deux supports inférieurs sont des éléments de fixation recouverts de néoprène vulcanisé à l'intérieur du godet. Le néoprène garantit que le revêtement n'endommage pas le système de support. Cette approche permet de retirer facilement le débarcadère dans le cas exceptionnel où il faudrait le remplacer avant la fin de sa durée de vie prévue.

Automatiser grâce à un logiciel de simulation

Afin d'éviter de devoir effectuer des analyses répétitives, ce qui est peu efficace en termes de temps et de ressources, l'équipe de Wood Thilsted a choisi d'automatiser les simulations.

"Nous utilisons COMSOL pour calculer rapidement et facilement les facteurs de concentration de contraintes de nos débarcadères et assurer leur suivi tout au long du projet," explique Mme Bendtsen. Pour valider davantage les conceptions potentielles, son équipe collabore avec l'équipe de conception matériau d’acier primaire de Wood Thilsted afin d'obtenir un retour d'information sur les facteurs de concentration de contraintes et les limites des matériaux utilisés.

Schéma représentant les points chauds spécifiques aux contraintes sur la conception d'un débarcadère de bateaux, avec annotations pour les contraintes, les contraintes d'entaille, les contraintes aux points chauds, les contraintes de surface, la plaque de fixation, le soudage d'angle, les contraintes de membrane et le plan d'évaluation des contraintes.

Vue rapprochée du modèle maillé du débarcadère.

Figure 4. À gauche : lors du déploiement, la structure est confrontée à des points chauds spécifiques aux contraintes. À droite : le modèle maillé.

L’équipe de Wood Thilsted utilise le LiveLink™ for MATLAB^®, un produit complémentaire à COMSOL Multiphysics^®, pour automatiser des processus tels que l'application de charges, la définition des propriétés des matériaux et le choix du type d'analyse — garantissant ainsi cohérence et haute qualité.

"En utilisant COMSOL Multiphysics^®, nous obtenons les contraintes automatiquement, puis nous connectons ces données à MATLAB^® à l'aide du LiveLink™ for MATLAB^®," précise Mme Bendtsen. "Cela nous permet d'écrire nos propres scripts qui extraient les contraintes et les déformations et effectuent toutes les évaluations des résultats pour les différents cas de charge, ce qui [nous] libère du temps pour améliorer la conception et se concentrer sur [les parties] les plus complexes."

Ces cas de charge comprennent la simulation des forces exercées par les vagues en temps normal, ainsi que les chocs imprévus des navires. Tout cela peut être optimisé et automatisé dans COMSOL^® en construisant et en stockant des informations sur des pièces particulières. "Le logiciel offre de nombreuses possibilités d'automatisation, ce qui nous est très utile car nous avons de nombreux cas de charge qui sont proches mais néanmoins différents," déclare Mme Bendtsen.

Bibliothèque de pièces et paramètres

L'efficacité de l'approche de conception de Wood Thilsted repose en partie sur sa bibliothèque de pièces géométriques. Dans COMSOL Multiphysics^®, les utilisateurs peuvent créer des conceptions et les stocker, ainsi que reproduire et paramétrer leurs géométries complexes. Grâce à cette fonctionnalité, Mme Bendtsen et son équipe sont en mesure de concevoir de nouveaux débarcadères, pièce par pièce, en schématisant chaque partie individuellement et en enregistrant ses paramètres afin de pouvoir remplacer une partie de la conception par une autre. Cette approche leur permet de modifier simultanément plusieurs pièces similaires en apportant des changements au paramètre géométrique global correspondant, ce qui leur permet de comparer facilement une conception par rapport aux itérations précédentes.

Deux pièces géométriques côte à côte montrant les pièces d'assemblage du support du manchon à gauche et les pièces d'assemblage du support du pare-battage à droite.

Figure 5. Ensemble de pièces personnalisées et de pièces provenant de la bibliothèque de pièces COMSOL. À gauche : pièces d'assemblage du support du manchon. À droite : pièces d'assemblage du support du pare-battage.

Plus précisément, Wood Thilsted dispose de tous les éléments, y compris le support du garde-corps, le support du godet et les échelles, dans sa bibliothèque de pièces géométriques, ce qui lui permet d'ajouter des pièces à un modèle en fonction de ses besoins. "Cela signifie que je peux combiner ces différentes pièces géométriques pour obtenir une conception complète de débarcadère ," souligne Mme Bendtsen. "Nous disposons également de configurations multiples dans nos pièces, ce qui me permet de modifier les types d’articulations et les angles, rendant ainsi possibles différentes configurations."

Mme Bendtsen trouve cela particulièrement utile lorsqu'elle travaille avec différents fabricants, en particulier une fois les conceptions modélisées et simulées. Travailler avec différents fabricants permet de faire face à des besoins différents pour la construction d'un débarcadère. "Nous avons donc créé une bibliothèque de pièces qui nous permet de configurer notre débarcadère de plusieurs façons, et il est facilement adaptable," indique Mme Bendtsen.

De plus, le modèle 3D COMSOL de Wood Thilsted permet au concepteur d'effectuer facilement un contrôle visuel d'une conception potentielle pour vérifier que tout semble correct. Grâce à la simulation de la mécanique des structures, l'équipe de Wood Thilsted est en mesure de modéliser avec précision ses conceptions de débarcadères et de simuler l'impact considérable que l'environnement et les navires peuvent avoir sur eux.

Préparer la voie pour améliorer l'accostage des bateaux

Plus qu'un simple assemblage de tubes, les débarcadères doivent être conçus de manière efficace et en tenant compte de la sécurité. Les enjeux étant considérables en termes de coûts et de risques, la modélisation et la simulation ont permis d'éliminer les approximations qui entourent le projet. Par ailleurs, Wood Thilsted a été en mesure d'automatiser certaines parties de ses processus et d'affiner ses conceptions de débarcadères d'éoliennes. "Les clients continuent de faire appel à nous pour concevoir des débarcadères, car nos conceptions ont fait leurs preuves," ajoute Mme Bendtsen. Ce constat va de pair avec la devise de Wood Thilsted, qui consiste à exécuter les conceptions avec rapidité et flexibilité, comme le rappelle Mme Bendtsen : "Nos équipes de projet sont agiles et rapides. Nous pouvons gérer les modifications de conception en quelques heures au lieu de plusieurs semaines, ce qui nous permet de produire rapidement les conceptions en acier les plus efficaces."

MATLAB est une marque déposée de The MathWorks, Inc.