Essais & Simulations n°117

Congrès Nafems

Congrès Nafems Essais et Modelisation Tendances Redonner aux essais leurs lettres de noblesse Pour bien comprendre l’évolution de la simulation numérique dans les phases d’essais et la place qu’elle occupe aujourd’hui, il nous a paru intéressant de nous pencher sur la biographie de l’un des intervenants du prochain Congrès Nafems Paris qui aura lieu début juin à Charenton (Val-de-Marne). Le parcours d’Éric Deletombe, chargé de mission au sein de l’Onera, met en lumière en effet le virage qu’a pris la simulation et sa part grandissante dans l’industrie, en particulier l’aéronautique. Il traduit également des avancées technologiques (en termes de puissance de calcul et de précision notamment) stimulées par une course effrénée vers les gains de qualité, de temps et de coûts. Diplômé en 1988 de l’école Supaéro de Toulouse, Éric Deletombe intègre l’Onera début 1991 dans le laboratoire de mécanique des structures afin de travailler sur la simulation numérique de crashes de structures métalliques dans l’aéronautique. C’est le début d’une nouvelle ère dans le calcul par éléments finis des structures avec de nombreuses tentatives d’essais sur des structures à échelle réduite. La raison de cet essor tient essentiellement dans le coût élevé de ces tests. La mission d’Éric Deletombe a donc été d’évaluer les avancées dans le domaine de la simulation numérique (dont les plus abouties se trouvaient pour le crash dans le secteur automobile) et de l’intégrer dans les activités de l’Onera afin de simuler des phénomènes de situations accidentelles. Cinq ans plus tard, un projet avec Eurocopter a permis de mettre en avant les atouts de la simulation dans l’étude de crash d’un hélicoptère dont la structure était conçue en matériaux composites. Ce fut également le cas pour la gestion de phénomènes de collisions à haute vitesse et des impacts qu’elles produisent. « Les impacts balistiques se présentent comme des phénomènes par certains aspects plus compliqués que les crashes », assure Éric Deletombe. D’où l’objet de son intervention les 4 et 5 juin prochains sur les lieux du Congrès Nafems, et qui portera sur la vulnérabilité des structures composites face aux impacts à haute vitesse. Cette intervention se consacrera plus exactement à l’impact balistique dans un réservoir d’avion. Les essais remis à l’honneur dès les années 2000 De 1999 à 2009, Éric Deletombe dirige l’unité de recherche Conception et résistance des structures et, parallèlement à l’émergence des grands moyens de calcul, assiste à l’idée de plus en plus convaincue que la simulation numérique remplacera purement et simplement les essais physiques. « Nous avons par exemple abandonné les essais dans le nucléaire pour les remplacer par la simulation. Mais les années 2000 ont mis en avant la complexité que l’on connaît dans le domaine dynamique et mécanique. On a compris que si la simulation permettait incontestablement d’aller plus loin dans l’appréhension des phénomènes, elle ne pouvait en aucun cas les prévoir dans l'absolu». Il fallait en effet prouver que les résultats obtenus en simulation étaient bien exacts en procédant à des opérations de validation des outils numériques. Ce type d’opérations figure néanmoins comme une évolution majeure dans les phases d’essais. En outre, devant la complexité des structures et le besoin d’être de plus en plus rapide, les années 2000 ont redonné aux essais un caractère noble, « dans la mesure où nous avons pris conscience que la simulation numérique pouvait faire tout et son contraire », concède Éric Deletombe. La clé réside alors dans la conciliation et de l’association des deux. C’est pourquoi de nombreux moyens expérimentaux de grandes capacités ont été développés et mis en place à l’Onera dans le but d’étudier la mécanique des structures mais aussi leur caractérisation dynamique et faire de la validation numérique sur des cas bien particuliers : comme l’impact sur des réservoirs d’avion, le traitement mécanique d’un fluide dans le cas d’un appareil abîmé en pleine mer, sans oublier les études sur les structures faites de matériaux composites. « Notre rôle est d’aller plus loin dans la précision des modèles en développant des algorithmes et des modèles bien spécifiques pour mettre au point les matériaux et structures les plus résistants ». Bouleversement de la pyramide des essais Dans l’aéronautique, comme dans bien d’autres secteurs d’activité aux exigences de qualité extrêmes, la conception des structures doit être la plus sûre possible. Pas le droit à l’erreur ; on comprend bien pourquoi. Pour répondre à ces exigences de qualité, les essais de structures suivent un échelonnement bien précis, lequel se présente sous une forme pyramidale. En haut de la pyramide se trouve l’essai complet sur un prototype de l’appa- Essais & Simulations • JUIN 2014 • PAGE 32

Congrès Nafems Essais et Modelisation reil. Idéalement, il n’y en a qu’un. Décisif, cet essai est aussi le plus onéreux. C’est pourquoi, plus on descend vers la base de la pyramide, plus les essais sont nombreux, plus rapides et moins coûteux. Au fil des années, cet échelonnement de phases d’essais a pris sa forme pyramidale dans la mesure où il a fallu réduire au maximum les essais de structures entières d’avion pour multiplier les opérations de tests sur de plus petits morceaux de l’appareil. Le nombre d’essais, globalement, a donc considérablement augmenté, notamment avec l’arrivée massive des matériaux composites. « Nous menons aujourd’hui de nombreux essais sur des éprouvettes matériaux afin de choisir les plus adaptés mais aussi et surtout pour développer nos outils de simulation numérique car celle-ci a besoin d’être préalablement alimentée avec des données d’entrée », précise Éric Deletombe. Ainsi, pour schématiser, à la base de la pyramide se trouve une multitude de petits essais peu coûteux et au sommet, un essai complet. A l’inverse, auparavant, les essais intermédiaires étaient beaucoup plus nombreux. Pour autant, le coût global des campagnes d’essais demeure une préoccupation majeure. N’oublions pas que le nombre de petits essais a fortement augmenté et, à l’échelle de la recherche, le coût expérimental reste très important. « A l’Onera, nous avons par exemple réalisé un prototype de fuselage à une échelle réduite et, déjà, les montants sont élevés, faisant état de près d’un million d’euros rien que pour la simulation numérique et les essais, sur les 2,5 millions d’euros nécessaires à l'étude de conception numérique et la production du prototype ». Ainsi, 20% sont toujours, au stade de la recherche, inhérents au développement d’un produit d’une telle envergure destiné à l'essai. Les essais jouent donc toujours un rôle prépondérant, d’autant que les problématiques nouvelles, souvent liées à la sécurité, à la santé ou à l’environnement, mais également dans l’approche multidisciplinaire, sont apparues ces dernières années. Reste aujourd’hui à attendre une nouvelle ère informatique ; « nous sommes aujourd’hui encore limités en termes de puissance et confrontés à des temps de résolution trop longs qui poussent les industriels à devoir simplifier leurs modèles. Il nous faut une nouvelle révolution informatique pour relever les défis ». Olivier Guillon Entretien La simulation face à ses défis de demain Professeur des universités au sein de l’École Centrale de Lyon, Jean-Jacques Sinou dirige le département de Mécanique des solides, génie mécanique et génie civil et mène ses activités de recherche au sein du Laboratoire de Tribologie et Dynamique des Systèmes. À l’occasion du prochain Congrès Nafems France organisé les 4 et 5 juin à Charenton, le professeur reviendra sur les problématiques liées à la dynamique des structures non linéaires et la nécessité de mieux comprendre ces phénomènes pour répondre aux enjeux de l’industrie. Dans cet entretien accordé à la revue Essais & Simulations, Jean-Jacques Sinou fait également un point sur l’état de la simulation aujourd’hui et ses grands défis de demain. Essais & Simulations Sur quelle thématique allez-vous intervenir lors du Congrès Nafems ? Jean-Jacques Sinou Le thème s’intitule « Ingénierie et méthodologies avancées en dynamique des structures non-linéaires – Quelques exemples et perspectives de recherche ». Cette intervention porte sur les problématiques que l’on rencontre en ingénierie et la prise en compte de ces phénomènes dans l’industrie au niveau des structures mécaniques. L’industrie a en effet besoin de mieux comprendre les structures Calcul de crissement afin de mieux les dimensionner. L’objet de mon intervention sera de mettre en avant des méthodologies et stratégies numériques à travers une approche duale expérimentale numérique dans le but de mieux comprendre l’impact de des phénomènes non linéaires et des comportements vibratoires qui en résultent. Sur quels exemples allez-vous vous appuyer ? Je mettrai en lumière une application qui concerne les systèmes dynamiques comportant des interfaces « frottantes » en se focalisant sur l’étude du crissement et des vibrations auto-entretenues. L’exemple traitera le cas d’un système de frein ferroviaire; le freinage d’un train émet en effet un bruit aigu qu’il faut essayer de réduire Essais & Simulations • JUIN 2014 • PAGE 33