Essais & Simulations n°126

dossier mondial de

dossier mondial de l’automobile tendance répondre par la simulation à l’enjeu croissant de la multiphysique face aux problématiques que connaissent les constructeurs automobiles, tant dans les bureaux d’études que sur les pistes d’essais, la simulation numérique est devenue depuis plusieurs années un outil incontournable, d’autant que l’arrivée des véhicules de nouvelle génération impose de prendre en compte des données multiphysiques. Le secteur automobile doit répondre à d’immenses défis. Tout à la fois, réduire l’empreinte énergétique des véhicules tout au long de leur vie, de leur fabrication à leur démantèlement, augmenter la facilité d’usage, le confort acoustique et thermique, et intégrer les véhicules dans le flot des réseaux interconnectés, voire mettre en œuvre leur autonomie vis-à-vis du conducteur. Et même prendre en compte une remise en cause radicale des modes de transport, avec la limitation drastique de l’automobile dans les centres urbains et un usage collectif plébiscité, comme le covoiturage. Pour réaliser tout ceci, la simulation numérique se présente comme un outil adapté et complémentaire afin d’explorer des pistes nouvelles, améliorer les procédés de fabrication et les designs, étudier le fonctionnement des dispositifs en situation réelle. Au-delà d’un usage classique, comme la vérification a priori de normes mécaniques ou de fatigue par exemple, la simulation intervient désormais pour préciser le positionnement idéal des enceintes acoustiques dans l’habitacle, affiner l’utilisation du soudage laser pour obtenir des soudures robustes, améliorer la gestion thermique des batteries des véhicules électriques, s’assurer de la bonne intégration d’un capteur accéléromètre dans un dispositif d’airbag, et ainsi de suite. pLAcE crOISSANTE dES dONNéES MULTIphySIqUES Il est intéressant de noter que ces simulations font intervenir des physiques variées et bien souvent couplées, comme la mécanique, le transfert de chaleur, les écoulements, l’électromagnétisme, l’acoustique ou encore l’électrochimie. Précision plus grande des résultats, influence directe par exemple du fait de la miniaturisation ou de l’imbrication des systèmes, font que l’aspect multiphysique prend de plus en plus d’importance. Photo 1 : Champ de pression acoustique dans un habitacle de véhicule résultant de l’émission de plusieurs haut-parleurs 54 IESSAIS & SIMULATIONS • N° 126 • octobre - novembre 2016

mondial de l’automobile dossier Le futur des véhicules électriques est ainsi directement lié aux performances des batteries. En parallèle des recherches focalisées sur le développement de nouveaux matériaux et de leurs performances, la mise au point d’outils de modélisation s’est révélée nécessaire, par exemple chez Renault pour préciser le fonctionnement des batteries lithium-ion. La simulation contribue ainsi à augmenter les connaissances sur les phénomènes physico-chimiques en jeu, optimiser le design des batteries selon les demandes des utilisateurs (à chaque usage sa batterie) et de raccourcir les phases de test et de validation. Dans ce cas précis, la modélisation des électrodes poreuses et de l’électrochimie associée va de pair avec la prise en compte de l’influence de la température sur les performances en cyclages, et le vieillissement des batteries. Dans l’industrie automobile, réduire le poids des véhicules, et les émissions correspondantes, est une préoccupation permanente. La solution flans raboutés laser (Laser Welded Blanks ou LWBs) est une solution efficace pour réduire la masse et obtenir de bonnes performances mécaniques. La réduction de masse est possible grâce à des combinaisons de grades et d’épaisseurs optimisés, d’où une économie importante de matière, parfois plus de 20 %. Pour améliorer la résistance à des crashs test par exemple, l’optimisation des paramètres de soudage est alors nécessaire pour éviter les défauts de géométrie dans la soudure. Photo 2 : Épaisseur du film de peinture déposée par électrodéposition sur les différentes zones d’une portière de voiture UN cOMprOMIS à ATTEINdrE AU béNéfIcE dE L’USAgEr Afin de mieux comprendre les phénomènes physiques à l’œuvre dans le soudage laser, une équipe d’ArcelorMittal Global R&D a développé un modèle numérique, en partenariat avec l’université de Bretagne-Sud. Les chercheurs ont notamment précisé la vaporisation et l’écoulement du métal liquide et son influence sur la qualité de la soudure, sa géométrie et ses défauts éventuels. On se trouve ici face à une véritable application multiphysique qui combine des effets de propagation d’onde dans le domaine optique, de l’électromagnétisme, du transfert de chaleur et des écoulements avec surface libre. Le logiciel de simulation Comsol Multiphysics a permis aux chercheurs d’ArcelorMittal Global R&D de prendre en compte ces différents aspects, comme la génération de la zone fondue, les écoulements dans le métal fondu, sa porosité, ou encore l’inclinaison et les instabilités de la surface du métal liquide. En parallèle du travail de simulation ont été menées des mesures dans le but d’améliorer les connaissances sur le soudage laser et de corroborer les résultats de simulation. Un bon accord entre les données de mesure et de simulation a été trouvé, par exemple sur la distribution de la température ou la vitesse de progression des phénomènes. Dans un autre domaine, Harman travaille à optimiser la qualité audio des habitacles des véhicules. Dès les premiers designs, Photo 3 : Simulation du champ électromagnétique émis par une antenne radio située au niveau du pare-brise arrière la simulation permet d’optimiser le haut-parleur ainsi que son positionnement et son orientation dans l’habitacle du véhicule. Une comparaison des pressions acoustiques mesurées et simulées a permis de valider les résultats numériques. Il est clair que l’intégration toujours plus poussée de différents dispositifs et l’évolution des usages poussent à reconcevoir, voire à bouleverser le véhicule dans son ensemble, avec des directions parfois contradictoires. Plus de sécurité et de confort tend à alourdir l’automobile tandis qu’un objectif de moindre consommation cherchera à l’alléger par exemple. La simulation joue alors à plein pour envisager les différentes approches et sélectionner la plus pertinente, avec des aspects multiphysiques de plus en plus poussés, et des ressources informatiques qui vont de pair. L’usage du calcul intensif se généralise, mais nécessite un investissement plus conséquent. Avec des limites en termes de capacité à prendre en compte le véhicule dans son entier, ou tout simplement de temps de calcul incompatibles avec les temps de développement ou de fabrication. Le jeu du chat et de la souris se poursuit, au bénéfice de l’usager. ● Jean-Marc Petit (Comsol France) ESSAIS & SIMULATIONS • N° 126 • octobre - novembre 2016 I 55