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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 ?

L’emboutissage industriel, entre démocratisation et expertise de la simulation

Chez le constructeur automobile Renault, l'emboutissage de pièces suit une chaîne de conception numérique depuis le design jusqu'aux tests finaux. Si certaines étapes se standardisent, devenant gérables par des opérateurs de moins en moins qualifiés, la mise en œuvre d'opérations plus élaborées demande la connaissance et le savoir faire d'ingénieurs spécialisés.

" Simuler, c'est faire croire que c'est réel et donc essayer de reproduire ce qui se passe dans la réalité " précise Frédéric Mercier, Ingénieur de recherche chez Renault, spécialisé en simulation numérique et rattaché au département emboutissage. L'emboutissage consiste à déformer la surface plane d'une tôle pour obtenir une structure en trois dimensions la plupart du temps non assimilable à un plan. Si l'exercice de mise en géométrie n'est pas toujours évident, la pièce doit aussi répondre à un ensemble de caractéristiques d'usages, comme celles exigées pour passer les crash-tests.

" Un bon modèle permet de s'approcher d'une réalité " explique Frédéric Mercier. La chaîne de conception d'une pièce de carrosserie intègre le design de la pièce, l'ensemble des calculs pour son emboutissage, ainsi que la simulation de la tenue aux chocs. Le nombre d'essais grandeur nature en est significativement limité, la plupart des tests étant réalisés en simulation.

Des opérations courantes facilitées

Concrètement, l'ingénieur modélise la carrosserie par un maillage constitué d'éléments finis dits " de coque mince ", c'est-à-dire adaptés à des structures minces. Ce type de structures permet de modéliser environ 80% des produits courants et les techniques et outils sont suffisamment simplifiés et standardisés pour qu'ils soient utilisables par des techniciens après une courte formation spécialisée. " L'utilisation de ces outils se démocratise et les personnels diplômés comme les docteurs ou les ingénieurs sont maintenant sollicités pour des tâches plus complexes " précise Frédéric Mercier.

L'optimisation une affaire d'experts

C'est le cas de l'optimisation, une tâche qui consiste à trouver les meilleures configurations pour répondrent à une liste de contraintes données. Par exemple, en terme de réduction des émissions de CO2, une piste d'amélioration consiste à alléger la masse du véhicule tout en respectant les contraintes liées aux crashs et à l'acoustique. Comme ces deux critères s'avèrent relativement antagonistes en termes d'épaisseur et de rigidité des tôles, l'optimisation consiste à trouver différentes possibilités répondant aux besoins.

D'autres critères d'arbitrages interviennent alors pour choisir entre ces possibilités, comme le coût ou la facilité de production de la pièce. Les calculs d'optimisation sont généralement plus complexes à mener lorsque des contraintes de chocs sont introduites. Il est alors nécessaire de trouver les bons modèles et les bons outils afin d'éviter des temps de calcul trop longs. " Il n'est effectivement pas raisonnable de lancer un calcul de plus de 50 heures ", précise Frédéric Mercier.

S'adapter aux cas particuliers

Si l'optimisation est une affaire demandant du doigté, c'est aussi parce que les normes se multiplient. Différentes selon les pays, elles concernent essentiellement la sécurité, les performances et l'environnement. " En matière de chocs, plus d'une dizaine de situations sont prises en compte " explique Frédéric Mercier, citant les chocs piétons, frontaux ou latéraux.

Les besoins d'expertise ne se limitent pas à l'optimisation mais concernent aussi des procédés comme l'identification de critères numériques afin de détecter d'éventuels défauts d'aspect ou encore l'utilisation de matériaux composites. Ces derniers se désagrègent en cas de choc, transformant les caractéristiques d'origine du matériau. " Les logiciels que nous utilisons ne sont pas adaptés à ce type de comportement, même s'il est possible de trouver des façons de les prendre en compte " souligne Frédéric Mercier.

En matière d'amélioration Frédéric Mercier a aussi quelques idées. Il exprime entre autre le souhait que les concepteurs de logiciels conçoivent des interfaces plus conviviales et modernes. " Par exemple, elles pourraient s'inspirer des interfaces tactiles développées par Apple ou proposer des outils haptiques " suggère-t-il, n'hésitant pas à rêver " de simulateurs numériques pour smartphones et tablettes". Plus sérieusement, une autre piste d'amélioration concerne le développement des modèles afin de respecter le plus précisément possible les lois physiques. Et même si la puissance des ordinateurs s'est largement décuplée, la réduction des temps de calcul reste toujours d'actualité.