Modélisation, simulation numérique, modèles mathématiques
La simulation numérique : un outil pour les innovations technologiques

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 XX^e 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.