Simulation numérique : définition et enjeux

Le 19 décembre 2022

Les experts Visiativ reviennent sur la simulation en tant que catalyseur d’innovation. Des enjeux de la simulation numérique à la problématique de l’optimisation, en passant par la simulation réaliste, nos experts vous éclairent sur cette technologie puissante.

 

 

Définition

 

La simulation numérique est une représentation de phénomènes physiques complexes rendue possible grâce à une série de calculs et un modèle mathématique comportant des équations aux dérivés partiels. La méthode la plus répandue est la méthode des éléments finis. C’est le moyen de simuler de manière virtuelle un produit dans son environnement final et ainsi de répondre à de multiples enjeux industriels tels qu’anticiper les écueils de conception, réduire les prototypes ou encore favoriser l’innovation.

 

« La simulation numérique est un outil de prototypage virtuel accélérant les processus de création et d’optimisation. Technique de l’ingénieur »

 

 

Tests physiques vs simulation

crash test en simulation réelle

Les test physiques

 

  • Ils sont relativement coûteux
  • Ils nécessitent un produit fini comme prototype
  • Ils sont longs à mettre en place (semaines ou mois)
  • Ils doivent être fait dans un laboratoire bien équipé
  • Ils ne donnent aucune information si le test n’est pas validé
simulation numérique d'un crash test

Les test en simulation numérique

 

  • C’est une solution plus économique
  • Le prototype est virtuel et facilement modifiable
  • La procédure est rapide à mettre en place (en heures)
  • Elle peut être faite n’importe où et n’importe quand
  • Elle permet d’avoir une plus-value car permet une meilleure compréhension
    et interprétation du comportement du produit

La simulation numérique permet une meilleure prise en compte des besoins et des contraintes ainsi qu’une modification rapide des paramètres à moindres coûts. Cela permet, par conséquent, de tester des concepts innovants plus facilement. Certaines techniques d’optimisation permettent également de faire des économies rationnelles de matériaux et d’améliorer la qualité et la durée de vie des produits et/ou d’optimiser des process de production.

 

Un des atouts majeurs reste l’utilisation de la simulation comme moyen de validation avant d’effectuer les tests physiques. Cela permet de limiter le nombre de prototypes physiques à produire et de faire des économies de temps et d’argent.

 

La Simulation Réaliste : Une Technologie Puissante

 

Intégrer la simulation comme outil d’aide à la conception est un élément essentiel pour rester compétitif. Pour une intégration réussie dans votre processus de design, vous aurez besoin d’un outil fiable, robuste et complet. Pour être efficace, l’outil doit pouvoir s’adapter à vos problématiques et non l’inverse. Il existe donc des solutions pour des utilisateurs de niveaux différents, du néophyte à l’expert, pour pouvoir intégrer plus ou moins de complexité dans les phénomènes simulés.

 

Lorsque l’on analyse un produit ou même un procédé de fabrication, il est parfois suffisant de se concentrer sur un seul aspect, un seul comportement physique ; c’est le cas de beaucoup de simulations et c’est souvent justifié. Un designer peut avoir besoin d’une vérification rapide. L’ingénieur calcul peut faire des hypothèses pour ne pas prendre en compte les phénomènes trop complexes ou l’interaction des physiques entre elles.

 

« La réduction des délais de production et de mise sur le marché est couplée à des économies financières. Si ce n’est pas encore une méthode de production classique, elle est en passe de le devenir. Technique de l’ingénieur »

 

Néanmoins notre monde est fait de phénomènes multi-physiques non linéaires qu’il faut parfois être en mesure de prendre en compte. Pour l’expert, la simulation réaliste, c’est être capable de réaliser ces analyses complexes, de faire moins d’hypothèses, pour des résultats plus robustes, plus fiables et qui représentent réellement le comportement de vos produits. Votre simulation devient un prototype à part entière et vous permet ainsi d’atteindre réellement les performances optimales recherchées.

Simulation : Les études de fatigue

 

L’Industrie exerce une pression croissante sur les fabricants afin d’utiliser moins de matériaux pour fournir des composants plus légers mais toujours aussi solides, et le tout en moins de temps.

 

Beaucoup d’entreprises utilisent les analyses par éléments finis pour calculer les contraintes de conception. Mais l’analyse de fatigue est encore souvent faite en choisissant manuellement les points de contraintes. Cela représente beaucoup de temps et est peu fiable, car il est facile de mal identifier les zones de rupture.

 

La validation des composants en testant un prototype en laboratoire prend du temps. Si le prototype est rejeté prématurément, le cycle de conception devient coûteux. Le projet prend plus de temps et la livraison est retardée. Les enjeux de la fatigue sont directement liés à la qualité du produit : les rappels de pièces peuvent être très coûteux et, en plus de vous faire de la mauvaise publicité, c’est également un facteur de baisse de productivité.

 

Pour améliorer la corrélation entre le test et l’analyse, il faut des outils dédiés afin de valider plus efficacement les programmes de conception et d’essais. En effet, concernant les méthodes traditionnelles qui évaluent les localisations de fissures uniquement, les contraintes principales maximales peuvent être correctes pour des cas simples, mais restent peu fiables pour des chargements complexes. Pour pallier à ce type de problèmes, il existe aujourd’hui des outils qui s’appuient sur la technologie des éléments finis et qui permettent d’évaluer de façon précise la position des fissures et la durée de vie des produits même en cas de chargements complexes.

 

 

Discuter avec un expert Simulation

De la simulation à l’optimisation

 

L’optimisation est une problématique actuelle et qui nous pousse à développer des produits toujours plus innovants, toujours plus performants et toujours plus rapidement. Il existe plusieurs manières d’optimiser un produit, comme il existe plusieurs objectifs d’optimisation. Selon les besoins et les objectifs, certains voudront minimiser le poids de leurs pièces, d’autres voudront utiliser le matériau le moins cher et tout cela sans que ce soit au détriment des performances du produit, qu’elles soient mécaniques, thermiques, fluidiques, etc…

L’optimisation basée sur la simulation par éléments finis est une solution faite pour aider à réduire les temps de conception. L’optimisation :

  • automatise la soumission de calculs et les cycles de design
  • réduit le nombre d’erreurs dues à des saisies manuelles
  • libère du temps à l’utilisateur en automatisant la génération de données d’entrée et de sortie ainsi que les paramètres de calculs

 

Certains logiciels permettent aujourd’hui :

  • d’améliorer la qualité des produits
  • d’optimiser les designs selon des objectifs définis
  • de facilement prendre en compte des variations telles qu’un changement de matériaux, une modification de géométrie…
  • Cela va même jusqu’à générer plus d’idées et à faire de meilleurs choix

 

Par ailleurs, certains outils sont également capables d’analyser vos conceptions et de vous indiquer quel paramètre influence la robustesse de votre produit (plans d’expériences, diagrammes de Pareto, etc…). Les prototypes virtuels nous permettent donc de perfectionner notre produit de manière rapide et efficace.

 

Une bonne conception tiendra ses objectifs, alors qu’une meilleure conception, une conception optimisée, les dépassera.

 

 

Simulation : Exemples d’application

 

Vous trouverez ci-dessous un exemple de dispositif médical conçu avec SOLIDWORKS, analysé les solutions Simulia avec Abaqus et Fe-Safe puis optimisé avec Isight et Tosca.

 

Ce dispositif est un Stent, outil qui sert à maintenir ouverte une artère pour éviter qu’elle se bouche, appareil le plus souvent utilisé dans le cadre d’angioplastie.

 

 

 

 

 

En conclusion

 

La simulation numérique est un segment très porteur sur le marché du PLM depuis plusieurs années et les prévisions de croissance sont sur la même tendance (entre 5 et 10%). L’amélioration constante des performances machines et les interfaces toujours plus intuitives accélèrent la démocratisation de ces solutions et leur développement au sein des entreprises.

 

Pour aller plus loin

 

 

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