L'optimisation numérique multi-physique pour le développement de nouveaux produits

La simulation numérique multi-physique (fluidique, thermique, énergétique, ...) 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.

 

C'est quoi un logiciel multi-physique ?
Ces logiciels sont dits "multiphysiques" car ils résolvent de manière couplée tout ou partie de différents types de phénomènes physiques intervenant dans le fonctionnement d'un système industriel : mécanique, fluidique (Navier-Stockes), thermique (conduction, convection, rayonnement, changement de phase), acoustique, vibratoire, énergétique (combustion), ..., réaction chimique. 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), ce qui permet de réduire les essais réels et d'accélérer le développement de produits. Ces logiciels, s'ils sont très pertinents, exigent cependant des compétences techniques pointues dans les lois de comportement à mettre en oeuvre, dans les données d'entrées à fournir et le paramétrage (conditions aux limites, maillage, ...) et dans l'interprétation des résultats.

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
• Étudier un très grand nombre de configurations géométriques ou de variables physiques (thermique, fluidique, composition chimique, ...)
• 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 données d'entrée
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 plus 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)

Les logiciels du commerce
Les logiciels d'optimisation numérique du commerce les plus connus (liste non exhaustive) sont :  

• HyperStudy d'Altair— Multi-Disciplinary Design of Experiments, Optimization and Stochastic study software
• AMPL software — 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, ...
• Fluent d'ANSYS
• Flow3D de Flow Science qui dispose d'ailleurs d'un module dédié à la fonderie (Flow3D-Cast)
• ModeFRONTIER d'Esteco 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
• Simcenter HEEDS de Siemens- You can easily define the design workflow and automatically share data between different modeling and simulation products
• 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
• Wolfram Mathematica — large-scale multivariate constrained and unconstrained, linear and nonlinear, continuous and integer optimization

ModeFRONTIER est par exemple 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).

Les logiciels Open-Source
Il existe également un certain nombre de logiciels libres, plutôt destinés à des utilisateurs universitaires ou à des centres de R&D. Si leurs modèles sont pertinents, leur interface (pre et post-processing) est souvent moins aboutie et beaucoup moins convivial. 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.

Comments

[Quentin]

Pour votre information, il semble manquer un outil important à votre liste, en rupture avec les outils mentionnés : Siemens Simcenter HEEDS (https://www.plm.automation.siemens.com/global/en/products/simcenter/simcenter-heeds.html)

[Quentin]

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