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1 - MODÉLISATION, SIMULATION NUMÉRIQUE, MODÈLES MATHÉMATIQUES

2 - SIMULATION NUMÉRIQUE DANS LE CYCLE DE VIE DE PRODUITS

3 - MÉCANIQUE DE STRUCTURES ET SES APPLICATIONS

4 - SIMULATION MULTIPHYSIQUE, UNE DÉMARCHE PLUS RÉALISTE

5 - MÉCANIQUE PROBABILISTE

6 - SIMULATION DES PROCÉDÉS POUR UNE AMÉLIORATION DE LA COMPÉTITIVITÉ

7 - BILAN ET PERSPECTIVES

8 - SIGLES, NOTATIONS ET SYMBOLES

Article de référence | Réf : AG450 v1

La simulation numérique : un outil pour les innovations technologiques

Auteur(s) : Mansour AFZALI

Date de publication : 10 janv. 2022

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Présentation

RÉSUMÉ

La simulation numérique consiste à modéliser les comportements d’un objet dans son environnement grâce aux équations mathématiques décrivant le phénomène physique, aux méthodes numériques et à la puissance de calcul des ordinateurs. Elle couvre de nombreuses applications comme la prévision de la météo, la simulation du traitement du corps humain par des médicaments ou le calcul du comportement d’une fusée ou d’un avion au décollage. Cet article traite la simulation numérique en mécanique et son apport dans le développement des innovations technologiques qui ont bouleversé notre vie quotidienne depuis les années 1960.

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ABSTRACT

Numerical simulation : a tool for the technological innovations

The numerical simulation allows to study the behavior of an object within its environment thanks to the mathematical equations describing the physics, the numerical techniques and the computers. It covers numerous applications, weather forecasts, human body treatment simulation or the behavior analysis of a rocket or an aircraft at takeoff position. This paper deals with numerical simulation for the mechanical systems and its contribution to the technological innovations development which have changed our life since 1960.

Auteur(s)

  • Mansour AFZALI : Ancien conseiller scientifique du Cetim, - Ancien responsable du pôle d’activité Simulation et Logiciels, - Cetim, Senlis, France

INTRODUCTION

Les progrès en simulation numérique réalisés depuis les années 1960 sont en grande partie dus au développement de l’aéronautique, de l’espace par la NASA et de la production d’électricité par le nucléaire aux USA et en Europe. La simulation numérique, considérée comme l’une des avancées scientifiques et technologiques du XXe siècle, a grandement contribué au développement des technologies innovantes dans les différents secteurs industriels. Le développement des ordinateurs et des méthodes numériques, comme celles des éléments finis et des éléments de frontières, a largement accéléré l’usage de ces méthodes par les industriels. Pour valider les « modèles », des solutions analytiques pour des cas simples et des essais physiques pour des cas complexes ont été utilisés. Une coopération entre les équipes utilisant ces deux approches a été lancée et a conduit à des progrès très significatifs dans les domaines scientifiques numérique et expérimental, notamment par le couplage essais-calcul. Le développement des algorithmes de maillage automatique 3D, de méthodes de résolution de systèmes d’équations performantes et l’intégration des outils de modélisation et de simulation dans les systèmes de CAO marquent les dernières avancées en technologie numérique rendant les outils de simulation accessibles aux bureaux d’études, notamment ceux des PME.

Les logiciels de simulation numérique et les méthodologies associées sont éprouvés et sont de plus en plus utilisés pour une analyse prédictive du comportement des systèmes mécaniques et pour valider leurs conceptions. Ils sont mis en œuvre dès les premières étapes de la conception pour valider des concepts et des designs sans faire appel aux prototypes physiques. La simulation offre aux ingénieurs un outil puissant pour évaluer la performance du produit dès la phase de la conception. C’est bien grâce à elle que la durée et le coût du développement des produits industriels ont été réduits d’une façon significative avec une amélioration de la qualité des produits industriels. De nombreuses innovations technologiques ont pu être intégrées dans les produits et les procédés permettant aux industriels de faire un bond en avant en performance et en compétitivité.

Les développements des logiciels en mécanique de structures, mécanique des fluides et la simulation des procédés sont principalement fondés sur la méthode des éléments finis. On doit également citer les éléments frontières, fort utiles pour certaines applications comme en acoustique, en procédé de protection cathodique des ouvrages marins, en mécanique du sol. Il convient également de citer les méthodes de réduction de modèles, sans maillage ou XFEM, en plein essor, qui offrent des perspectives intéressantes pour les applications comme la fragmentation, la mécanique de la rupture ou la perforation.

L’analyse numérique dans le domaine de la production et l’exploitation des systèmes mécaniques prend de plus en plus d’importance. Le nouveau concept « jumeau numérique » consiste à mettre en place une maquette virtuelle permettant de réaliser une analyse prédictive du comportement et de la performance du produit ou du procédé en utilisant les données de référence décrites dans le cahier des charges, les modèles numériques, le système d’intelligence artificielle (IA) et les données enregistrées grâce aux capteurs intégrés dans le produit ou procédé. Ces données sont régulièrement enrichies et sont traitées et utilisées par le système IA. La contribution de la simulation numérique à cette nouvelle technologie innovante est assurée d’une part par l’alimentation de la base de données, et d’autre part par les techniques de réduction de modèle « PGD » (proper generalized decomposition) permettant de réaliser des calculs en temps réel. Un nouveau paradigme hybride modèle – donnée – IA est proposé pour le concept du jumeau numérique.

Tout au long de cet article, la simulation numérique est présentée comme un outil pour le développement des innovations technologiques, avec des exemples d’applications dans les différents secteurs d’industries.

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KEYWORDS

Numerical simulation   |   digital twin   |   finite element method   |   multiphysics   |   simulation of manufacturing process

DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v1-ag450


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BIBLIOGRAPHIE

  • (1) -   *  -  https://www.scimagojr.com/countryrank.php? category=2206 

  • (2) - DHATT (G.), TOUZOT (G.), LEFRANÇOIS (L.) -   Méthode des éléments finis.  -  Lavoisier (2015).

  • (3) - ZIENKIEWICZ (O.C.) -   The Finite Element Method.  -  McGraw Hill (1977).

  • (4) - DARIDON (L.), DUREISSEIX (D.), GARCIA (S.), PAGANO (S.) -   Changement d’échelles et zoom structural.  -  CSMA 2011, 10e Colloque national en calcul des structures, 9-13 mai 2011.

  • (5) - BATOZ (J.L.), DHATT (G.) -   Modélisation des structures par éléments finis.  -  Vol. 1 Solides élastiques, vol. 2 Poutres et plaques, Hermès, Paris (1990).

  • (6) - EN13445 -      -  Norme européenne pour la construction...

1 Outils logiciels

Abaqus – Logiciel de simulation numérique multiphysique.

Ansys – Logiciel de simulation numérique multiphysique.

AutoForm – Logiciel de simulation du procédé d’emboutissage.

Cast3M – Logiciel de calcul par la méthode des éléments finis pour la mécanique des structures et des fluides. Il est développé par le Commissariat à l’énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA).

Castor – Logiciel de calcul de structures par la méthode des éléments développé par le Cetim.

CODE-Aster – Logiciel libre de simulation numérique en mécanique des structures et en multiphysique, développé par EDF.

COMSOL – Logiciel de simulation multiphysique.

MORFEO – Logiciel de la simulation de soudage (CENAERO, GEONX).

PAM Crash – Logiciel de simulation de crash (ESI).

PAM Stamp – Logiciel de simulation du procédé d’emboutissage (ESI).

Radioss – Logiciel de simulation de crash (Altair).

SPH-flow – Logiciel de simulation mécanique des fluides utilisant la méthode SPH (smoothed particle hydrodynamics).

Systus – Logiciel de calcul de structures développé par Framatome et ESI.

Sysweld – Logiciel de la simulation de soudage développé par Framatome et ESI.

HAUT DE PAGE

2 Normes et standards

EN13445 (2019), Norme européenne pour la construction des récipients sous pression non soumis à la flamme – Partie 3

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Entre les deux essais, vous pouvez consulter l’article et réutiliser les quiz d'entraînement pour progresser. L’attestation vous est délivrée pour un score minimum de 70 %.


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