Matériaux en vrac : valider vos biens de production grâce à la simulation par éléments discrets

Dans divers domaines (exploitation minière et traitement du minerai, la chaîne d’approvisionnement d’import-export ou encore production de produits chimiques), il est essentiel de déterminer la géométrie et la configuration appropriées des équipements pour accommoder le débit, la manutention et le stockage des matériaux solides granulaires en vrac.

En effet, tout goulot d’étranglement entraîne des dépassements de budget et d’échéancier qui, en fin de compte, nuisent aux résultats de l’entreprise. En utilisant la simulation par éléments discrets dès les premières étapes de la conception d’une installation ou d’un projet, on peut éviter ces problèmes et atteindre la capacité nominale de l’équipement.

La modélisation logicielle des éléments discrets permet de simuler visuellement, avec précision, la façon dont les matériaux en vrac s’écoulent et interagissent avec les équipements, tels que les goulottes de transfert, les treuils d’extraction souterrains et les calibreurs de minerai brut.

Il est plus rentable de mettre au point et de valider le concept à l’aide de l’ingénierie assistée par ordinateur (IAO) que de créer un modèle physique ou de modifier l’équipement sur place, pendant la mise en service. La polyvalence de la méthode des éléments discrets offre l’avantage de pouvoir quantifier un large éventail de paramètres.

Par exemple, un client qui a besoin d’une goulotte pour transporter des matériaux granulaires pourrait l’utiliser pour analyser un grand nombre de scénarios hypothétiques. Ainsi, il lui serait possible de simuler la vitesse d’acheminement des matériaux pour une série de caractéristiques d’écoulement. Un effet de surcharge ou un événement d’obstruction pourraient également être reproduits, permettant ainsi de localiser le point d’origine du problème et d’élaborer des solutions pour y remédier.

Image 1 : Évaluation par méthode des éléments discrets d’un minerai brut de cuivre abrasif et collant à trois niveaux de capacité et opération d’aiguillage pour alimenter l’un ou l’autre des deux convoyeurs de réception.

Ce type de capacité de diagnostic est inestimable; il peut donner des résultats positifs et peut être appliqué à de multiples secteurs industriels, notamment l’exploitation minière ainsi que le traitement des minéraux et l’énergie. Dans le secteur minier, par exemple, la simulation par éléments discrets peut prédire l’effet à long terme que le minerai de fer (lourd, abrasif et aux arêtes vives) aurait sur la durée de vie de l’équipement, permettant ainsi au client d’anticiper les besoins d’entretien.

De plus, la simulation par éléments discrets donne lieu à une approche « numérique » qui facilite la mise en service. En effet, elle permet aux clients de déterminer et d’optimiser les exigences relatives au débit de matériaux en vrac et les configurations d’équipement dans un environnement IAO avant de passer à la fabrication et à l’installation.

Plusieurs raisons expliquent la popularité de cette méthode en tant qu’outil de simulation, notamment :

• Les progiciels de simulation – autrefois limités aux départements de recherche des universités – sont plus largement établis et accessibles au public;
• Les progrès constants du matériel informatique, en particulier les avancées en matière de traitement graphique et de puissance de calcul, permettent de réaliser des simulations virtuelles à haute résolution toujours plus poussées et des populations de particules toujours plus grandes;
• Les grandes entreprises clientes confirment les avantages de la méthode pour la conception et la validation de l’équipement de manutention au cours de la phase d’ingénierie des grands projets. Soulignons que les principaux fabricants d’équipement l’utilisent pour la conception de leurs équipements.

La simulation par éléments discrets, qui a fait ses preuves en fournissant aux clients des solutions novatrices et pratiques pour les équipements de manutention des matériaux granulaires en vrac, est promise à un avenir prometteur.

Pour des avantages supplémentaires, elle peut être combinée à d’autres modules logiciels d’IAO, principalement la dynamique numérique des fluides (pour simuler l’interaction des fluides et des matières solides granulaires), l’analyse par éléments finis (pour l’analyse de structure soumise à des problèmes de chargement de matières solides granulaires) et les systèmes mécaniques multicorps (pour prévoir le comportement de l’équipement en interaction avec des scénarios de matériaux en vrac). Voir l’image 2.

Image 2 : Évaluation du mouvement de déchargement de l’élévateur de baril (simulation combinée des éléments discrets et de mouvement multicorps, le basculement de l’élévateur étant commandé par le déplacement des roues de guidage dans les rails profilés).

Par ailleurs, une myriade de nouvelles applications continuent de passer du stade de R. et D. à celui de solution industrielle valable. Citons notamment les particules de formes complexes, y compris les particules flexibles, la mise au point de nouveaux modèles de contact avec les matériaux et leur utilisation dans l’ingénierie des bacs de stockage, la modélisation de fracture de particules avec des applications liées à la dégradation des matériaux (voir image 3) et à la comminution, la modélisation des débits de matériaux intégrant l’analyse du transfert thermique ou les champs magnétiques et électrostatiques, et l’évaluation de l’efficacité de la ségrégation et du mélange des particules.

Image 3 : Calibrage de la dégradation du minerai gelé et modélisation des éléments discrets pour l’évaluation de l’équipement pour la manutention de matériaux en vrac

Lorsqu’il s’agit de simuler la manutention et le débit de matériaux en vrac, il est juste d’affirmer que la méthode des éléments discrets est un modèle de réussite.

Consultez le blogue de Luke Stone sur les simulations avancées pour comprendre les effets saisonniers sur les activités. Il explique en détail comment le gel des matériaux dans une grille à barreaux a provoqué des obstructions et de quelle manière la méthode des éléments discrets a été utilisée pour mieux appréhender cet enjeu opérationnel afin de remédier à la situation.