Délais de développement qui raccourcissent, introduction de nouveaux matériaux ou de nouvelles technologies, le développement des voitures de demain nécessite de plus en plus de calculs préliminaires.
C’est un fait, les constructeurs automobiles et leurs fournisseurs passent de plus en plus de temps à faire des calculs et à réaliser des simulations pour prédire le moindre phénomène en œuvre dans leur produit final. Leur but : éviter les surprises de dernière minute, qui coûtent une fortune en modifications ou en gestion des retours des modèles souffrant d’un dysfonctionnement, même potentiel.
Tout pousse les calculs
Chaque grande tendance actuelle dans l’auto pousse l’usage de plus de simulations. Et à chaque fois, les spécialistes du calcul trouvent des solutions pour que cela se fasse dans des temps raisonnables. « En crash, on ne se contente pas d’un seul essai. Il faut en réaliser plusieurs et effectuer des analyses de sensibilité », témoigne Francis Arnaudeau, vice-président chargé des solveurs éléments finis chez Altair. Pour cela, les constructeurs organisent même des campagnes de tests de plusieurs jours. Afin d’aller plus vite, chez Ford, « nous travaillons avec des sous modèles et des simulations multidomaines en associant Madymo pour les mannequins et Radioss pour l’analyse par éléments finis, commente Djamal Midoun, directeur du département sécurité chez Ford. Cela nous a permis de passer de modèles à 355000 éléments à d’autres de 150000, et donc de réduire le temps de calcul de 6,6 à 2,6 heures pour le même calcul ». Chez le constructeur américain, les simulations sont partout. « Nous faisons des calculs sur des composants, des sous-ensembles ou des véhicules entiers, pour évaluer la faisabilité des solutions et valider les conceptions ensuite », témoigne Djamal Midoun. Ses astuces pour accélérer le processus ? Des armes mathématiques comme le Advanced mass scaling, qui consiste à rajouter de la masse « non physique » aux composants dans les calculs pour s’assurer de la stabilité des calculs dynamiques avec des pas de temps plus importants, et donc réaliser moins de calculs pour le même résultat.
L’optimisation s’impose
Autre grande tendance dans l’automobile, la chasse aux kilos. En simulation, cela se traduit par l’emploi généralisé des techniques d’optimisation (voir encadré page df). Le rêve serait bien sur de pouvoir tout améliorer automatiquement grâce à l’optimisation multidisciplinaire. Une chimère, car « en optimisant un critère, on risque toujours d’en dégrader un autre », prévient Francis Arnaudeau.
La recherche de légèreté passe aussi par l’emploi de nouveaux matériaux comme les composites. Problème : « les analyses non linaires par éléments finis de ces matériaux fibrés sont plus complexes que pour les métaux », prévient Roger Assaker, président de Digimat. Pour s’approcher de la réalité, l’éditeur belge se propose de coupler l’analyse non linéaire avec une étude du matériau au niveau microscopique. Ce sont les résultats de ce calcul, qui tient compte en particulier de l’orientation des fibres dans la matrice, qui se substitue à la loi de comportement classique du matériau au niveau de simulation supérieur. C’est cette méthode qu’a utilisé Rhodia pour mettre au point un carter d’huile en composites 40% plus léger que son équivalent en acier, et aux caractéristiques mécaniques analogues.
« L’optimisation des technologies existantes passe aussi par l’étude plus fine des phénomènes, grâce au couplage fort des physiques, commente Stéphane Savarese, responsable du bureau parisien de Comsol. Actuellement, dans l’industrie, il est fréquent d’associer thermique, mécanique et électricité. Mais nous avons des modules qui couplent cinq, voire six physiques en laboratoires ». On retrouve également ces modélisations multiphysiques dans le développement de nouveaux composants, « les alternodémarreur, les dispositifs d’assistance électrique ou de récupération d’énergie, par exemple, qui mettent en œuvre des phénomènes complexes », commente Stéphane Savarese. Pour aider les concepteurs dans leur travail, l’éditeur français développe des modules dédiés, dont un dédié aux batteries et aux piles à combustibles. Et même l’éclairage peut nécessiter des solutions de ce type ! Osram Sylvania a ainsi récemment utilisé Comsol Multiphysics pour coupler mécanique des fluides, acoustique et émission de lumière, afin de modéliser le fonctionnement de nouveaux types d’ampoules.
Un champ inexploré
Actuellement, le monde de l’automobile est surtout bouleversé par l’arrivée de nouveaux types de motorisations, hybrides ou tout électrique. Et là encore, les besoins en simulation sont nombreux. « Les concepteurs doivent construire des modèles de leurs systèmes physiques pour mettre en place les lois de commande des calculateurs de gestion de la batterie et du pilotage du moteur », témoigne Daniel Martins, ingénieur d’application chez Mathworks. Ces modèles reproduisant le fonctionnement des composants, voire des véhicules complets, sont construits dans des solutions d’analyse dite 1D (à une dimension), comme Matlab et Simulink, de Mathworks, à l’aide de blocs fonctionnels. « Nous fournissons des blocs élémentaires « grossiers », qui peuvent être optimisés à l’aide de Simscape », commente Daniel Martins. Un très grand nombre de phénomènes différents peuvent ainsi être intégrés aux modèles, à des degrés différents de finesse, à condition d’être décrits par des équations. « Certains vont jusqu’à modéliser le frottement des pneus sur la route lorsqu’ils simulent le fonctionnement des voitures », témoigne Daniel Martins. Ces modèles …
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