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Eviter les impasses technologiques, diminuer les itérations de conception, évaluer de nouvelles idées, raccourcir les temps de développement, optimiser la performance des produits… telles sont les promesses de la simulation numérique. Le marché est en pleine croissance, les outils se démocratisent et s’intègrent à la CAO, enfin toutes les physiques ou presque sont aujourd’hui modélisées avec précision.
L’indispensable simulation numérique
La mission des bureaux d’études qui conçoivent des produits manufacturés est claire à défaut d’être simple : il faut faire plus léger, plus résistant, plus performant, plus compact, le tout plus vite et bien entendu le moins cher possible ! Une équation complexe à résoudre ; mais sans contrainte, point de génie…
L’une des solutions à cet éternel problème est de simuler virtuellement le comportement du produit dans son environnement final, mais aussi les process utilisés pour le fabriquer. L’objectif est notamment de répondre aux questions : le produit est-il conforme au cahier des charges ? Quel matériau dois-je utiliser pour le rendre plus léger, sans obérer sa résistance ? Une seule et grosse nervure de renfort ou deux plus petites ? Comment optimiser cette géométrie pour éviter une reprise d’usinage ?… Plus on obtient ces réponses en début de projet et plus on gagne du temps et de l’argent sur le cycle complet de son développement.
Conscientes des enjeux, les entreprises manufacturières ont progressivement intégré cette démarche de simulation numérique dans leur process industriels. Calcul de structure, de cinématique, de mécanique des fluides, etc. ont ainsi remplacé ou complété les tests physiques, les surdimensionnements rassurants, et les coefficients de sécurité au doigt mouillé plus fréquents que l’on ose bien le dire. Les pme s’y mettent…
Comment ça marche ?
La simulation ou l’analyse numérique repose sur l’exploitation d’algorithmes décrivant le comportement des solides, des liquides et des gaz vis-à-vis des lois de la physique. Elle remplace, complète ou prépare les tests réels que les industriels continuent de lancer régulièrement sur les matériaux et leurs produits. A leur tour, ces tests physiques nourrissent les modèles mathématiques et valident leur justesse par l’expérimentation.
L’une des techniques d’analyse numérique les plus courantes est celle des éléments finis (MEF). Elle est utilisée par exemple pour évaluer la résistance d’un produit soumis à des contraintes mécaniques. Première phase, sa structure est découpée en éléments primaires : c’est le maillage du modèle 3D issu de la CAO. Selon le domaine étudié, le type de maillage choisi, les conditions limites, le matériau, les chargements de la pièce, etc. le logiciel d’analyse va effectuer différents calculs sur ces mailles (matrice de raideur, forces en chaque noeud de chaque élément, contraintes dans l’élément en fonction des déplacements…). Une interface graphique représente ensuite les champs de déplacements et les forces appliquées à ces éléments. Celle-ci permet d’en déduire le comportement global du produit vis-à-vis du domaine observé.
Cette rapide description illustre la complexité de la démarche. Il faut comprendre également que le maillage est une « simplification » du produit initial, que la modélisation reste une succession d’hypothèses souvent implicites à tous les niveaux, et que le résultat final dépend notamment de la justesse des paramètres d’entrée du problème.
Que peut-on simuler ?
L’offre logicielle du marché en matière de logiciels d’analyse est particulièrement riche : statiques linéaires ou non linéaires, dynamiques modales stationnaires et transitoires, dynamique rapide, thermique, acoustique, fatigue, mécanique des fluides… A peu près tous les phénomènes physiques régissant les matériaux et leur environnement liquide ou gazeux sont aujourd’hui modélisés virtuellement. Il est aussi possible de coupler plusieurs domaines, par exemple fluide/structure pour étudier le comportement d’un solide immergé dans un fluide dont la réponse peut être fortement affectée par l’action de ce fluide.
Le couplage multi-physiques, la prise en compte de tous types de phénomènes non-linéaires, la disponibilité de nombreuses lois de comportement et d’équations d’état, mais également la capacité d’aborder des modèles de plusieurs millions de degrés de libertés poussent les entreprises à faire de plus en plus de simulation. D’ailleurs, les applications sont multiples et touchent tous les secteurs : automobile, aéronautique, sport, médical, électronique ou high-tech. On tente de prédire la déformation d’une voiture lors d’un crash, la réponse aérodynamique d’un avion, la résistance d’un pont soumis à des rafales de vent, ou encore le confort acoustique d’un train à haute vitesse, et le comportement dynamique d’un engin de BTP sur un terrain accidenté.
Le produit mais aussi la fabrication
Outre le produit lui-même, il est aussi possible de simuler les process industriels de fabrication comme l’usinage ou l’emboutissage… jusqu’à la ligne complète de production. Ces logiciels métiers sont disponibles auprès des grands généralistes comme Dassault Systèmes, Autodesk ou Siemens PLM Software. Mais des éditeurs tels ESI Group, Transvalor ou encore Spring Technologies ou FlexSim se sont spécialisés sur des problématiques spécifiques comme la fonderie, la forge, l’emboutissage, le crash ou la simulation de flux de produits. L’utilisation de ces solutions évite l’immobilisation d’un moyen de production pour faire des tests, mais permet surtout de valider le process de fabrication dès la conception de la pièce.
L’industrie automobile et le secteur aéronautique sont deux domaines où la simulation des process de fabrication est la …
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