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RÉSUMÉ
Les modélisations numériques sont, avec les données issues de campagnes expérimentales ou produites à l’aide de modèles analytiques, un des outils dont disposent les ingénieurs pour concevoir et optimiser les navires et leurs équipements. En s’appuyant sur de nombreux exemples issus de la construction navale, cet article montre comment la simulation numérique est utilisée dans ce secteur, sur quelles méthodes et modèles numériques elle se fonde et quelles sont les innovations contribuant à renouveler et améliorer les pratiques industrielles.
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Jean-François SIGRIST : Ingénieur, expert naval - eye-π, Tours, France
INTRODUCTION
La modélisation numérique, qui s’impose aujourd’hui dans le monde industriel et dans de nombreuses disciplines scientifiques, contribue fortement à l’innovation de ce secteur, en répondant à deux objectifs principaux : la maîtrise des risques techniques, car elle permet l’analyse de différentes solutions et l'évaluation de leur robustesse, la constitution de dossiers réglementaires, les démonstrations de sécurité et de fiabilité, l’élaboration d’études d’impact environnemental, etc. ; la performance économique, car elle concourt à l’optimisation des produits, à la prédiction de leurs performances ou à la réduction de leur coût de fabrication et d’utilisation.
L’objectif de cet article, qui s’adresse principalement à de jeunes ingénieurs et chercheurs, est de proposer une introduction aux usages de la simulation numérique dans la construction navale, en même temps qu’un tour d’horizon de différentes méthodes numériques utilisables par les ingénieurs, de montrer et d’évoquer les enjeux d’innovation pour les simulations répondant à des problématiques de ce secteur et de présenter certaines innovations, contribuant à dépasser certaines limites des modélisations actuelles.
Le lecteur trouvera ces références dans la rubrique « Pour en savoir plus » associée à cet article. Une bibliographie supplémentaire et des liens vers des sites Internet lui proposent des ressources utiles afin d’approfondir ses connaissances sur le sujet.
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3. L’amélioration continue des méthodes numériques
Les méthodes numériques ne cessent de se développer et de se perfectionner : on donne dans ce qui suit des exemples de ces améliorations, qui concernent, d’une part, les innovations apportées sur la modélisation de problèmes de couplage fluide/structure, qui intéressent particulièrement la construction navale, et, d’autre part, l’utilisation de méthodes plus spécifiques que les méthodes « classiques » présentées précédemment : les méthodes SPH et LBM.
3.1 Modélisation des interactions fluide/structure
Les interactions fluide/structure (IFS) concernent de façon générale toute structure mécanique en contact avec un fluide, que celui-ci soit en écoulement ou non (on parle dans ce cas de fluide « stagnant ») : elle se rencontrent dans de nombreuses situations, par exemple en génie civil (tenue d’un réservoir de stockage ou d’un barrage aux effets d’un séisme, de cheminées ou d’ouvrages d’arts aux effets du vent, etc.), en génie nucléaire (vibrations de faisceaux tubulaires, de lignes de tuyauteries, d’assemblages de combustibles, etc.) ou en génie mécanique (stabilité d’ailes d’avions, d’appendices de coques, etc.).
En construction navale, la prise en compte des interactions fluide/structure entre en jeu dans la conception de nombreux systèmes (coques, carènes, voiles, safrans, pales, réservoirs, ballasts, etc.) : l’eau étant un fluide lourd, de nombreux effets de couplage deviennent prépondérants dans la réponse des systèmes. Dans certains cas, il est possible de découpler les problèmes, ainsi par exemple :
-
l’étude des performances hydrodynamiques d’un profil portant en matériau métallique, très rigide, ne prend pas en compte les déformations de la structure et ne nécessite qu’un calcul de dynamique des fluides ;
-
l’étude des vibrations induites par un écoulement sur un profil portant en raison des fluctuations du champ de pression se fonde sur un spectre de chargement qui ne dépend pas du mouvement de la structure (la réponse de la structure, en revanche est affectée par la simple présence du fluide, supposé stagnant).
Cependant, dans de nombreux autres cas, il devient nécessaire d’étudier le problème couplé fluide/structure. Les modélisations couplées ont été...
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BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - AHMED (H.F.), FAROOQ (H.), AKHTAR (I.), BANGASH (Z.) - Machine learning-based reduced-order modeling of hydrodynamic forces using pressure mode decomposition. - Journal of Aerospace Engineering ; 235, p. 2517-2528 (2021).
-
(2) - AXISA (F.) - Modelling of Mechanical Systems. Structural Elements. - Elsevier (2005).
-
(3) - BAYLISS (A.), GUNZBURGER (M.), TURKEL (E.) - Boundary conditions for the numerical solution of elliptic equations in exterior regions. - SIAM Journal of Applied Mathematics, 42, p. 430-451 (1982).
-
(4) - BERTON (M.) - Modélisation de la réponse vibro-acoustique d’une structure excite par une couche limite turbulente en présence de gradient de pression statique. - Thèse de Doctorat, École Centrale de Lyon (2014).
-
(5) - BETTESS (P.) - Infinite Elements. - Penshaw Press (1992).
-
...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
ANNEXES
« Hybrider la simulation numérique et l’intelligence artificielle » – Inria, 26 septembre 2022.
https://www.inria.fr/fr/hybrider-la-simulation-numerique-et-lintelligence-artificielle
« Immersed Boundary Method » – Science Direct, 2022.
https://www.sciencedirect.com/topics/engineering/immersed-boundary-method
« Lattice Boltzmann Method » – Science Direct, 2022.
https://www.sciencedirect.com/topics/materials-science/lattice-boltzmann-method
SPH
https://en.wikipedia.org/wiki/Smoothed-particle_hydrodynamics
Computational Modeling and Flow Physics
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