La simulation numérique multi-physique est de plus en plus utilisée par les donneurs d'ordre pour développer très rapidement des nouveaux produits à haute fonctionnalité et par les industriels sur les sites de production  pour optimiser un process de transformation. Les codes de calcul généraliste mécanique, CFD (Fluent, ...) ou métier sont souvent ainsi pilotés par des logiciels d'optimisation (modeFRONTIER, HyperStudy, ...) qui permettent de lancer des calculs en boucle, de réaliser des plans d'expériences nulmériques ou de bâtir des surfaces de réponses complexes intégrant plusieurs dizaines de paramètres géométriques ou physiques. La phase d'essais sur prototypes réels arrive seulement après cette phase d'optimisation numérique pour valider uniquement la ou les meilleur(s) configuration(s).

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L'avantage de l'optimisation numérique
L'optimisation numérique a de nombreux avantages qui expliquent son utilisation massive par les grands donneurs d'ordre de différents domaines (automobile, aéronautique, ...) :

  • Explorer des variables difficilement accessibles par des mesures réels
  • Etudier un très grand nombre de configurations géométriques ou de variables physiques
  • Comprendre finement le mode de fonctionnement et les variables significatives qui pilotent le fonctionnement d'un produit ou d'un process de transformation
  • Diminuer les temps de développements de nouveaux produits (automobile, aéronautique, ...) et fiabiliser le process (diminution du taux de rebut, temps de cycle optimisé)
  • Diminuer drastiquement les coûts d'essais sur prototypes et les plans d'essai réels

Fiabiliser les calculs
Lorsque les développements s'appuient massivement sur les outils numériques, la fiabilité des résultats doit être avérée. La justesse des calculs repose alors sur plusieurs impératifs :

  • La pertinence des caractéristiques thermo-physiques des matériaux (conductivité thermique ou électrique, caractéristiques mécaniques, viscosité, chaleur latente de changement de phase, ...) et ceci aux différentes températures ou pressions de fonctionnement. Des campagnes de mesure sur éprouvettes sont souvent nécessaires pour caractériser de manière exhaustive le comportement des différents matériaux. La complétude des bases de données matériaux devient alors un enjeu stratégique pour l'entreprise
  • Le paramètrage le plkus exact possible des conditions de fonctionnement (température, pression d'entrée, contraintes appliquées, ...)
  • Le maillage le plus adéquat possible, ce qui peut amener à un volumes de mailles considérable (plusieurs dizaines ou plusieurs centaines de millions de mailles)

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Les logiciels du commerce

Les logiciels d'optimisation numérique du commerce les plus connus sont :  

  • HyperStudy d'Altair— Multi-Disciplinary Design of Experiments, Optimization and Stochastic study software
  • AMPL — modelling language for large-scale linear, mixed integer and nonlinear optimization
  • COMSOL — a multiphysics simulation software with an add-on optimization module that includes several gradient-free and gradient-based optimizers, such as SNOPT, COBYLA, BOBYQA, Neld-Mead, GCMMA, ...
  • ModeFRONTIER is an integration platform for multi-objective and multi-disciplinary optimization. It provides a seamless coupling with third party engineering tools, enables the automation of the design simulation process, and facilitates analytic decision making.
  • Maple (software) — Linear, quadratic, and nonlinear, continuous and integer optimization. Constrained and unconstrained. Global optimization with add-on toolbox
  • MATLAB — Linear, integer, quadratic, and nonlinear problems with Optimization Toolbox; multiple maxima, multiple minima, and non-smooth optimization problems; estimation and optimization of model parameters
  • Mathematica — large-scale multivariate constrained and unconstrained, linear and nonlinear, continuous and integer optimization
  • OptiStruct d'Altair— Award-winning CAE technology for conceptual design synthesis and structural optimization.

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Ces logiciels d'optimisation peuvent intégrer des modèles numériques ou dans certains cas seulement piloter et lancer des batch de calculs d'autres logiciels (Catia, Fluent, ...) et en faire la synthèse et l'analyse des résultats (courbe de réponse avec plusieurs variables, mise en évidence des paramètres de fonctionnement significatifs, détermination d'un optimum de réponse, ...).

ModeFRONTIER est ainsi un environnement d'optimisation multi-objectif qui permet de coupler un logiciel de CAO, un logiciel de calcul de structure élement fini et un code de CFD (computational fluid dynamics).

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Les logiciels Open-Source
Il existe également un certain nombre de logiciels libres, plutot destinés à des utilisateurs universitaires ou à des centres de R&D. Si leurs modèles sont pertinents, leur interface (pre et post-process) est souvent moins aboutie. Ils sont beaucoup moins connus que leurs homologues commerciaux. On peut citer ainsi AIMMS , AMPL, GUROBI, LIONsolver, optimJ ou XPRESS. Ils présentent cependant l'avantage d'être gratuit et d'avoir souvent des codes sources ouverts (Open source) qui sont modifiables pour des besoins spécifiques.