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36 : Où en est la mécanique numérique ?

Incontournable, la mécanique numérique s’insère aujourd’hui dans l’ensemble de la chaîne de conception rapide des produits fabriqués par l’industrie. S’appuyant sur les outils de modélisation géométrique et de visualisation, et intégrant les outils de simulation et d’optimisation, elle réduit les délais de conception, limite les erreurs et s’insère dans l’esprit du développement durable en aidant à concevoir des produits de plus en plus respectueux de l’environnement.

36 : Où en est la mécanique numérique ?

La mécanique numérique, une révolution industrielle ?

Depuis la simulation de la réaction nucléaire à Los Alamos ou l'invention de la mécanique des fluides numérique par la NASA dans les années 1940, à la systématisation de l'usage des outils numériques dans la conception industrielle actuelle, la mécanique numérique est passée par toutes sortes d'étapes. Avec comme objectif constant d'améliorer les simulateurs afin de gagner du temps et de la précision.

Manque de temps, difficultés à mener des expériences grandeur nature et apparition des premiers calculateurs numériques, la fin de la seconde guerre mondiale et plus particulièrement le projet Manhattan constituent le berceau de la simulation numérique. Les premiers travaux ont consisté à simuler les modèles de propagation de réactions nucléaires, utilisés pour fabriquer les premières bombes atomiques.

Alors que les calculateurs de l'époque mettaient plusieurs secondes pour réaliser une multiplication, un changement s'opère dans les années 1970 où la puissance de calcul augmente significativement. Les outils de simulation mécanique commencent à trouver leur place dans l'industrie. " Au Centre Technique des Industries Mécaniques (CETIM) ou à l'UTC, les premières recherches débutent dans les années 1972-75 et donneront naissances aux premiers logiciels utilisés par l'industrie dans les années 1980 " explique Mansour Afzali, Délégué scientifique au CETIM.

Décomposer l'espace de travail

Une des méthodes les plus utilisée est celle des éléments finis. Elle consiste à décomposer l'espace et les objets en mailles (ou éléments) les plus simples possibles. Le système d'équations complexes qui modélise l'ensemble du système est obtenu par assemblage d'informations calculées sur chaque maille. " Les premiers temps de la mécanique numérique ont consisté à construire des modèles capables de représenter les objets mécaniques et à les rendre cohérents avec la réalité et les lois de la mécanique " précise Mansour Afzali.

L'objectif est de simuler le fastidieux processus de la conception manuelle. Elle débute par la réalisation d'un dessin, sur lequel est réalisé un ensemble de calculs afin de le rendre cohérent avec les lois de la physique. Un prototype est alors produit, puis soumis à un ensemble de tests. Selon les résultats, le processus repart, éventuellement au point de départ, afin de corriger les défauts. " Ce procédé est susceptible d'être réitéré autant de fois que nécessaire, jusqu'à obtenir un prototype passant les tests répondant au cahier des charges " souligne le délégué scientifique qui précise que les outils de simulation numérique permettent de nombreux tests sur ordinateur évitant de longue et coûteuses itérations.

Si la mécanique numérique a divisé par deux le temps de conception d'une voiture, elle a aussi permis de concevoir un avion comme l'Airbus A380 uniquement à partir de simulation sur ordinateur.

Améliorer les modèles et les logiciels

Une fois les premiers outils de mécanique numérique disponibles dans les années 1980, de nombreux essais sont menés afin de préciser les caractéristiques des matériaux et valider les résultats des calculs. Ces travaux permettent d'améliorer les modèles, ainsi que les logiciels. Ces derniers subissent d'important tests dans les années 1990 afin d'accroître leur fiabilité. De plus en plus d'ingénieurs sont formés à ces outils qui se répandent dans l'industrie.

L'informatique se développe aussi très rapidement et la simulation numérique commence à être intégrée dans la chaine de la conception-fabrication (CFAO). " Ces différentes avancées, l'accroissement de la robustesse des modèles et l'homogénéisation des démarches de modélisation permettent des gains de temps importants en limitant significativement le nombre d'essais nécessaires " précise Mansour Afzali. Les outils de mécanique numérique gagnent la confiance des industriels et deviennent incontournables.

De plus en plus de possibilités

La puissance des ordinateurs augmentant régulièrement, il devient possible d'entreprendre d'importants calculs afin d'optimiser les produits. A partir d'un ensemble de paramètres, de contraintes et d'objectifs, l'optimisation consiste à trouver la meilleure solution parmi de nombreuses possibilités.

" L'optimisation est souvent le travail d'ingénieurs compétents car il est nécessaire de faire les bons choix aux différentes étapes de la conception " explique Mansour Afzali pour qui l'intervention d'un expert reste indispensable afin de vérifier les données fournies et les résultats obtenus. Alors que la puissance des outils explose et que les modèles s'homogénéisent de plus en plus, les études mécaniques intègrent des approches probabilistes afin d'évaluer la durée de vie des composants en tenant compte de la variabilité des paramètres de conception et d'usage. Elles s'intéressent également à des matériaux de plus en plus complexes, comme les matériaux composites. De nouvelles méthodes apparaissent, par exemple pour prendre en compte la vitesse de déformation des matériaux afin de simuler la résistance des structures aux chocs. Aujourd'hui, ces outils concernent aussi bien la conception de boites de conserves que la réponse de la tour Eiffel à des événements climatiques ou sismiques. "

Tous les composants mécaniques sont modélisés et calculés et l'industrie dans son ensemble a recours à la mécanique numérique " souligne Mansour Afzali. L'outil est banalisé au point que les jeunes ingénieurs lui font parfois aveuglément confiance, estimant ses résultats au même niveau de fiabilité qu'un essai grandeur nature. Et Mansour Afzali d'insister sur le rôle de l'ingénieur qui " a la responsabilité de vérifier les hypothèses et les modèles sans jamais oublier que la qualité des résultats de calcul en dépendent ".