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 “.