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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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Numerical modelling, along with data obtained from experimental campaigns or produced using analytical models, is one of the tools available to engineers for designing and optimising ships and their equipment. Using a number of examples from the shipbuilding industry, this article shows how numerical simulation is used in this sector, the methods and numerical models on which it is based, and the innovations that are helping to renew and improve industrial practices.
Auteur(s)
-
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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KEYWORDS
numerical simulation | Mesh | fluid-structure interactions | finite element method
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6. Glossaire
ALE (Arbitrary Lagrangian Eulerian)
La description eulérienne permet l’étude d’écoulements de fluides en un point fixe de l’espace. La description lagrangienne permet l’étude de mouvements de structures en un point qui suit le déplacement de celle-ci. Un maillage lagrangien s’adapte ainsi au mouvement, et peut parfois subir des déformations telles qu’il ne devient plus possible de calculer ! Un maillage eulérien est fixe : il a une capacité limitée à décrire un mouvement parfois très complexe. Entre les deux approches, le maillage eulérien-lagrangien arbitraire (Arbitrary Lagangian-Eulerian – ALE) tire parti des avantages des deux descriptions, en limitant leurs inconvénients.
Co-simulation
La co-simulation consiste à calculer conjointement le mouvement d’une structure et l’écoulement d’un fluide. Elle se fonde sur différents outils : un code de calcul hydrodynamique permet de calculer les caractéristiques de l’écoulement ; un code de calcul de résistance mécanique permet de calculer les contraintes, déformations et mouvements de la structure ; un troisième outil, éventuellement intégré à l’un ou l’autre des outils de calcul, permet de rendre compte du couplage mécanique entre hydrodynamique et résistance mécanique. Il transfère les informations nécessaires aux deux codes précédents.
CFD (Computational Fluid Dynamics)
La simulation de la dynamique des fluides consiste à utiliser un code de calcul permettant de résoudre les équations régissant l’écoulement d’un fluide, par ailleurs décrit par sa loi de comportement et les volumes dans lesquels il s’écoule. La technique des volumes finis est la plus utilisée en CFD pour les applications intéressant les ingénieurs.
CSD (Computational Structural Dynamics)
La simulation de la dynamique des structures consiste à utiliser un code de calcul rendant compte de la géométrie du système étudié, des lois mathématiques traduisant le comportement mécanique des matériaux dont il est constitué, et de résoudre les équations du mouvement. La technique des éléments finis est la plus utilisée en CSD pour les applications intéressant les ingénieurs.
DNS (Direct Numerical Simulation)
La simulation numérique directe des écoulements consiste à résoudre les équations de conservation...
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Glossaire
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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QUIZ ET TEST DE VALIDATION PRÉSENTS DANS CET ARTICLE
1/ Quiz d'entraînement
Entraînez vous autant que vous le voulez avec les quiz d'entraînement.
2/ Test de validation
Lorsque vous êtes prêt, vous passez le test de validation. Vous avez deux passages possibles dans un laps de temps de 30 jours.
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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