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RÉSUMÉ
La montée en maturité d’une méthode de calcul scientifique est un enjeu d’innovation pour les éditeurs de codes de calcul et leurs utilisateurs industriels. Ce retour d’expérience présente l’exemple d’un projet de R&D industriel réussi autour de l’intégration de nouvelles fonctionnalités de calcul dans un outil généraliste, permettant de modéliser les interactions fluide-structure. Le projet, conduit à la suite de travaux de doctorat, a impliqué un éditeur de code et un groupe industriel, utilisateur de l’outil.
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Jean-François SIGRIST : Ingénieur-chercheur, journaliste scientifique - Expertise & communication scientifiques (eye-PI) – Tours, France
INTRODUCTION
La montée en maturité d’une méthode de calcul scientifique, de sa formalisation mathématique à son application pratique, en passant par son implémentation numérique, est un enjeu d’innovation pour les acteurs industriels de la simulation numérique (chercheurs en modélisation numérique, éditeurs de codes de calcul, utilisateurs d’outils de simulation).
Accomplir l’ensemble du cycle de montée en maturité et rendre disponible à une communauté d’utilisateurs de nouvelles fonctionnalités de calcul demandent de travailler avec l’ensemble des acteurs aux différentes étapes clefs (formalisation, validation, implémentation, commercialisation).
On propose un retour d’expérience sur un projet de R&D industriel visant à intégrer dans un code de calcul éléments finis généraliste de nouvelles fonctionnalités de calcul pour des problèmes de mécanique mettant en jeu la modélisation des interactions fluide/structure. Réalisé à la suite de travaux de doctorat, le projet a impliqué un éditeur de solutions numériques et un industriel, utilisateur du code de calcul. Il a conduit à l’amélioration de l’offre proposée par le code de calcul et a permis diverses applications de ces fonctionnalités à des problématiques intéressant le secteur de la construction navale et celui de l’industrie nucléaire.
Domaines : innovation, recherche collaborative
Entreprises concernées : constructeurs (navires, automobiles, aéronefs, systèmes de production d’énergie), éditeurs de logiciels (calcul scientifique, simulation numérique, HPC), bureaux d’études (calculs vibro-acoustiques, bruits et vibrations, etc.)
Technologies/méthodes impliquées : modélisation numérique, calcul scientifique, éléments finis
Secteur : constructions mécaniques
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1. Contexte - enjeu - objectifs du projet
1.1 Formulations éléments finis pour l’interaction fluide/structure
La simulation numérique s’est généralisée dans l’industrie, devenant un outil standard en ingénierie, qui complète ou se substitue aux essais sur démonstrateurs physiques, et contribuant à la conception de systèmes complexes et à la justification de leurs performances (tenue mécanique en conditions opératoires normales et accidentelles, impact environnemental, durée de vie, etc.) [Sigrist, 2021]. Elle connaît des innovations continues, répondant aux besoins de ses utilisateurs industriels, en particulier celui de s’appuyer sur modèles numériques rendant compte d’une physique fine. Ainsi, au cours de la décennie passée, les modélisations « multi-physiques » – permettant en particulier de modéliser les interactions fluide/structure [Axisa, 2005 ; Gibert, 1986 ; Morand-Ohayon, 1998] – ont-elles connu un développement important, permettant de répondre à des problématiques industrielles.
Pour les applications intéressant le secteur industriel, la simulation des interactions fluide/structure est typiquement réalisée avec deux approches : les modélisations fortement ou faiblement couplées. Les premières se fondent sur un modèle mathématique décrivant le problème dans un formalisme unique, calculé à l’aide d’un unique outil numérique ; les secondes s’appuient sur des modèles mathématiques propres à chaque problème et calculés à l’aide d’outils dédiés à chacune des physiques (fluide et structure) [Sigrist, 2015].
Le premier type de méthode, dont il est question ici, trouve par exemple ses applications en génie mécanique (naval, spatial, etc.), civil et nucléaire, pour la sécurité et le confort acoustique de « passagers » (humains ou machines), de moyens de transport (automobiles, navires, lanceurs, etc.) ou la tenue au séisme de constructions (réservoirs, barrages, réacteurs, etc.), ou encore la stabilité de réservoirs de navires transportant des cargaisons liquides. Ce type de problèmes couvre des gammes de fréquences distinctes :
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pour les problèmes d’IFS « à fréquences faibles » (ou d’« hydro-élasticité »), il s’agit de modéliser la propagation d’ondes gravitaires pouvant se coupler avec les mouvements de structure, le fluide...
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BIBLIOGRAPHIE
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(1) - AXISA (F.) - Modelling of Mechanical Systems. - Vol. 3: Fluid-Structure Interaction. Elsevier (2006).
-
(2) - GIBERT (R.-J.) - Vibration des structures. Interaction avec les fluides. Sources d’excitation aléatoires. - Collection de la Direction des Études et Recherches d’Électricité de France, vol. 69, Eyrolles (1986).
-
(3) - MORAND (H.-J.-P.), OHAYON (R.) - Fluid Structure Interaction. - Wiley & Sons (1995).
-
(4) - PREVOST (M.-E.) - Validation préliminaire du code de calcul ANSYS pour des applications à des calculs couplés en interaction fluide/structure. - Mémoire de master, ENSEIRB-MATMECA/université de Bordeaux (2003).
-
(5) - BOUJOT (J.) - Mathematical Formulation of Fluid-Structure Interaction Problems. - Mathematical Modeling and Numerical Analysis, 21, 239-260 (1987).
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DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
ANNEXES
Constructeurs – Fournisseurs – Distributeurs (liste non exhaustive)
ABAQUS – https://www.3ds.com/fr/produits-et-services/simulia/produits/abaqus/
ANSYS Inc. – https://www.ansys.com
CASTEM – http://www-cast3m.cea.fr
Code_Aster – https://www.code-aster.org
INTES – http://www.intes.de
Documentation – Formation – Séminaires (liste non exhaustive)ASME
Collège de Polytechnique
http://www.collegepolytechnique.com
MULTIPHYSICS
NAFEMS
ADDL
GéM/Institut de Recherche en Génie Civil et Mécanique
Principia
http://www.principia-group.com
Vibratec
HAUT DE PAGE
Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering
http://www.elsevier.com/locate/cma
Finite...
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