Essais & Simulations n°116

Essais

Essais et Modelisation augmenté de manière drastique ces dernières années : d'une part, en termes de couplage des différentes physiques en 3D (mécanique et CFD par exemple), d'autre part, en termes de finesse des problèmes traités comme la propagation de fissure, la rupture ou la complexité de comportement matériaux par exemple. » >> Yohann Mesmin, directeur technique LMS France, A Siemens Business Sur quelles technologies s'appuie la simulation 3D ? LMS Virtual.Lab Acoustics La simulation 3D désigne l'exécution d'un programme informatique sur un ordinateur ou réseau en vue de simuler un phénomène physique réel et complexe (par exemple : roulage d’un véhicule, bruit d’un moteur électrique, usure d’un roulement à billes, résistance d’une plateforme pétrolière off-shore à la houle, fatigue d’un matériau sous sollicitation vibratoire….) Les simulations 3D reposent sur la mise en œuvre de modèles mathématiques utilisant la plupart du temps des techniques de discrétisation de l’objet à simuler : la plus connue, notamment en mécanique des structures, est la technique des éléments finis. La 3D s’appuie sur les équations connues ou moins connues, notamment suivant les résultats des projets de recherche très avancés qui vont permettre d’apporter de nouvelles méthodes plus performantes. Qu'apporte-t-elle aux outils de simulation "classiques" ? Si on représente le développement produit par un cycle en V, la simulation 3D peut-être considérée comme la phase finale de la validation virtuelle. Comme tout type d’outils de simulation « classiques », la simulation 3D cherche à répondre à la question : « quel est le résultat obtenu si j'exerce telle action sur un élément ? ». Chaque composant, chaque sous-ensemble, chaque système, est avec la simulation 3D représenté de manière fidèle, quelle que soit la technologie ou le domaine concerné. La simulation 3D est la dernière étape de validation virtuelle avant la phase de validation physique et de prototypage. C’est elle qui va définir et valider les dernières orientations de design, les derniers choix technologiques avant de valider définitivement et produire. La simulation 3D est l’ultime phase dans la branche descendante du cycle en V de développement, vis-à-vis des outils de simulation « classiques ». Elle apporte le tampon final de finalisation de la phase virtuelle et du démarrage de la phase de prototypage, et surtout remplacer des essais intermédiaires coûteux. Quand la 3D est-elle apparue et quelle place prend-elle aujourd'hui ? Apparue il y a plusieurs décennies, la simulation est un outil utilisé par le chercheur, l'ingénieur (...) pour étudier les résultats d'une action sur un élément sans réaliser l'expérience sur l'élément réel. La littérature mentionne une première utilisation pendant la seconde guerre mondiale afin de modéliser le processus de détonation nucléaire. Les simulations sont une adaptation aux moyens numériques de la modélisation mathématique. Elles servent à étudier le fonctionnement et les propriétés d’un système modélisé ainsi qu’à en prédire son évolution. La réduction des cycles de développement, la recherche continue de la meilleure performance et de la meilleure efficacité, la volonté d’allégement et de réduction des coûts font aujourd’hui de la simulation 3D une pierre angulaire de la stratégie de développement pour l’ensemble des secteurs industriels. L’objectif de la simulation 3D est de valider un nouveau concept et de valider les nouvelles orientations stratégiques. Et demain ? Le triptyque QCD (Qualité-Coût-Délai) dictera toujours la volonté d’innovation. Les défis technologiques, les normes écologiques et les normes sécuritaires (passives ou actives) pousseront toujours les industriels à effectuer des améliorations et des innovations continuent de leurs systèmes. La simulation 3D restera et continuera à être un maillon essentiel dans ces phases de réflexion, d’innovation et de recherche de la meilleure performance. En parallèle, la simulation est aussi un premier moyen d’effectuer de l’analyse de défaillance ultérieure. Par exemple, la simulation 3D permet aujourd’hui d’aider à comprendre comment une fissure va se propager et ainsi identi- Essais & Simulations • MARS 2014 • PAGE 38

Essais et Modelisation fier en fonction du profil de la fissure les risques de défaillance du système complet. Mais, la simulation 3D est basée sur une connaissance des phénomènes qui ne peut être obtenue que par l'expérimentation. Une simulation ne peut donc être réalisée que si on dispose d'un acquis de connaissances suffisant obtenu par des expérimentations sur des phénomènes antérieurs et analogues. Quelle que soit la qualité de la simulation, elle ne remplace et ne remplacera pas totalement l'expérimentation car elle en a besoin pour se corréler. En quoi répond-elle aux attentes des industriels en matière de simulation ? Les simulations 3D sont devenues incontournables dans tous les secteurs industriels pour la modélisation des systèmes. Elles permettent d'éviter la mise en œuvre d'une série de prototypages. Et dans certains cas l'expérience est irréalisable, trop chère ou contraire à l'éthique (nucléaire). Elles offrent également un aperçu sur le développement et le comportement d'un système trop complexe en le simulant avec une approche mathématique. On va retrouver trois utilisations majeures de la simulation 3D, pour des problèmes directs (prévoir l'état final d'un système connaissant son état initial), des problèmes inverses (déterminer/optimiser les paramètres intrinsèques à un système en fonction des couples : état initial – état final) et, enfin, l’analyse de défaillance qui permet de comprendre et d’analyser le comportement d’un système sous des conditions « hors normes » ou de défaillances. «Réduire le cycle de développement produit, analyser de nouveaux concepts et matériaux… dans un temps limité. La simulation 3D n’échappe pas à ce défi Quels sont les domaines d'applications de la simulation 3D ? Avec les nouvelles attentes en termes de sécurité passive et active, la dynamique rapide (ou communément le « crash ») est un des domaines d’applications le plus dimensionnant (tant en termes de nombres d’utilisateurs qu’en termes de ressource de calculs) dans le secteur automobile. On voit apparaître également de plus en plus la nécessité d’adresser des systèmes plus complexes et plus intelligents pour adresser la simulation dite « mécatronique ». On retrouve ce besoin dans l’ensemble des secteurs industriels. La recherche en termes d’allégement fait apparaître des besoins en simulation de matériaux composites, très utilisée dans le secteur aéronautique ; de plus en plus d’industriels de l’ensemble des secteurs s’intéressent à ces nouveaux matériaux et procédés. De manière générale, la durée de vie, la cinématique, l’acoustique, le comportement vibratoire, la tenue structurelle, les études thermiques (…) sont quelques-uns des domaines que la simulation 3D permet d’adresser. Chacune de ces disciplines n’est pas spécifique à un secteur en particulier. À quels défis sera confrontée la 3D de demain ? Yohann Mesmin, (LMS France) » Les capacités de simulation évoluent et évolueront parallèlement à l’informatique et à ses performances. Grâce à une puissance de calcul toujours croissante et à l'augmentation du volume de données stockables il est possible de découper un phénomène complexe en milliers voire en millions de phénomènes simples et donc de calculer les résultats sur le phénomène complexe. L'ordinateur permet aujourd'hui de simuler des phénomènes très complexes tel qu'un avion complet mais, sur certains sujets, la puissance de calcul reste encore insuffisante. Le défi majeur des industriels en termes de simulation est de réduire le cycle de développement produit et d’analyser de nouveaux concepts, de nouveaux matériaux… dans un temps limité. La simulation 3D n’échappe pas à ce défi. Pour ce faire, les éditeurs de logiciels se positionnent avec des plateformes de simulation 3D multi-physiques et multi-domaines. Celles-ci, en évolution perpétuelle, devront permettre aux industriels d’avoir pour une seule mise en données la capacité d’étudier différentes physiques et différents domaines d’applications. Propos recueillis par Olivier Guillon Essais & Simulations • MARS 2014 • PAGE 39