Petit coup de fraicheur cette semaine avec la rencontre de Florent Mathieu, tout jeune fondateur de EikoSim. Une start-up issue de la recherche publique dont les produits assurent d’une manière novatrice la corrélation entre la simulation numérique et les essais physiques, afin d’améliorer l’efficacité des cycles de développement. Une idée nouvelle de ‘‘simulation augmentée’’ qui devrait faire son chemin et qui a déjà été adoptée par Safran Aircraft Engines.

Si la simulation numérique est devenue incontournable dans la conception des systèmes mécaniques, les essais physiques restent indispensables pour valider et éventuellement recaler les modèles numériques et les lois de comportement utilisés.

Une corrélation qu’il n’est pourtant pas trivial de réaliser. « Le plus souvent on reprend dans un tableur Excel des données issues de la simulation numérique en plusieurs points que l’on essaye de comparer à des mesures effectuées sur des points approchants du modèle réel. Outre la pauvreté de la comparaison limitée à quelques points, la précision de repérage des différents points reste le plus souvent très approximative », constate Florent Mathieu, CEO d’EikoSim.

Une démarche scientifique

C’est en partant de cette constatation et des travaux du Laboratoire de Mécanique et de Technologie (LMT), unité mixte de recherche (UMR) de l’ENS Paris – Saclay et du CNRS, que deux jeunes post-doctorants, Florent Mathieu et Renaud Gras, ont développé des outils et des méthodes facilitant cette corrélation.

C’est ainsi qu’a commencé l’aventure d’EikoSim. La start-up, initialisée en 2016, a bénéficié du support de la SATT Paris-Saclay (250 k€), ce qui lui a permis d’industrialiser ses produits en travaillant avec des industriels et le Cetim sur des cas réels pour valider sa démarche.

Le réel savoir-faire du LMT réside dans des technologies novatrices d’analyse et de corrélation d’images numériques des essais physiques prisent à l’aide de plusieurs caméras, qui donnent une vision globale des déformations de la pièce ou du système mécanique en essai. Pour cela, les pièces sont peintes en blanc et recouvertes d’un mouchetis de points noirs permettant à la fois de recaler les différentes images et de repérer des points remarquables de la pièce (trous, arrêtes…).

« Cette technique était jusqu’à maintenant utilisée dans l’industrie pour donner à l’ingénieur d’essais les moyens de comprendre ce qui se passe sur un système soumis à une charge d’un point de vue qualitatif. Mais il n’y avait pas de liaison avec la simulation numérique ».

Pour effectuer cette liaison, EikoSim cale les points remarquables sur le maillage utilisé pour la simulation numérique de la pièce. Après étalonnage en l’absence de charge, on établi ainsi une correspondance entre la pièce numérique et la pièce réelle.

« Lors de l’essai sous charge on peut alors mesurer très précisément les champs de déplacements réels sur le maillage numérique et constater d’éventuels écarts par rapport à la simulation numérique. Ces données de mesure sont alors utilisables dans la chaine numérique de conception et ainsi servir à optimiser automatiquement les paramètres de simulation numérique pour s’approcher au plus près de la réalité et créer un véritable ‘‘jumeau numérique’’ de la pièce ou du système mécanique étudié, qui est utilisable en simulation prédictive », explique Florent Mathieu.
 

Une offre modulaire

Toute cette chaine fait l’objet de deux offres logicielles chez EikoSim. Le module EikoTwin Mesure, disponible depuis la fin 2017, assure : l’importation du modèle de simulation et de son maillage ; la connexion des caméras ; le traitement d’images ; les mesures des déplacements et déformations en 3D ; le post-traitement ; la comparaison automatique calcul/essai.

Le second module baptisé EikoTwin Jumeau Numérique, dont une première version d’évaluation V0 sera proposée en juin et une version commerciale V1 en septembre, assurera le traitement global des mesures externes (forces, jauges…) ; l’export d’une simulation améliorée ; la connexion automatique aux logiciels de simulation de Ansys, Dassault Systèmes et Siemens PLM Software.

« Pour le moment nous accompagnons nos premiers clients en effectuant de la prestation de service autour de nos logiciels, afin de les former à l’utilisation de ces technologies novatrices pour qu’ils se les approprient. Nous travaillons aussi sur des développements spécifiques permettant de résoudre des problématiques propres à certains utilisateurs. Mais notre objectif est de devenir un éditeur », affirme Florent Mathieu.

Les premiers utilisateurs

Ces technologies, qui permettent de combler le fossé qui existe entre la simulation numérique et les essais physiques, ont déjà séduit un certain nombre d’industriels tels Airbus, Safran ou Saint-Gobain.

D’ailleurs Vincent Joudon, ingénieur au Service Matériaux Composites de Safran Aircraft Engines, est venu présenter ses premiers retours d’expérience sur le dialogue essais/calculs. « L’objectif de notre division Matériaux et Procédés est d’apporter aux ingénieurs d’étude la connaissance des matériaux qu’ils utilisent dans les moteurs, en leur fournissant des lois de comportement multi-paramètres les plus exactes possible. Notamment dans le cas des matériaux composites à matrice organique qui sont orthotropes et dommageables ou des matériaux métalliques qui ont de fortes capacités à plastifier. Des paramètres qui dépendent aussi de la mixité des chargements (statique, fatigue, dynamique rapide…) et qu’il faut identifier sur des essais multi-axiaux. Ce qui suppose de très nombreux essais en s’approchant à chaque fois des conditions idéales ».

Automatiser des procédures manuelles

« Ces essais effectués, il faut utiliser des procédures itératives et manuelles pour identifier nos paramètres de modèles, ce qui demande beaucoup d’énergie même si nous avons une longue expérience dans le domaine. D’où un intérêt certain pour un outil qui exploite le lien essai/calcul pour améliorer un certain nombre de points : simplifier la conduite des essais en en tirant plus d’informations ; automatiser l’analyse des essais ; améliorer la robustesse de l’identification ; exploiter des essais technologiques pour valider directement des modèles sur pièce ».

Vincent Joudon a ensuite détaillé la procédure utilisée sur un essai de traction sur un pied d’aube de fan en matériaux composites, inséré dans sa plate-forme et bloqué par une cale. « Nous utilisons le maillage volumique du code implicite Samcef, qui a servi pour la simulation numérique, dont nous gardons juste le maillage des surfaces que nous venons caler sur les images de l’essai réel. L’outil EikoTwin mesure alors le champ de déplacements en tous points sur le pied d’aube et associe une valeur de déplacement sur chaque nœud du maillage. Les déplacements mesurés par corrélation d’images sont utilisés comme conditions limites pour une modélisation éléments finis. On applique sur ce modèle une loi matériau avec un certain nombre de paramètres à identifier. L’outil va alors mettre en données un modèle éléments finis permettant la comparaison entre l’essai et le calcul. L’outil optimise la valeur des paramètres pour minimiser les écarts entre le calcul et l’essai ». Cette démarche menée sur le champ de déplacements est aussi faisable avec les efforts.

La démarche d’EikoSim a aussi été utilisée pour des modèles à zone cohésive permettant de simuler la fissuration à l’interface entre deux substrats, par exemple pour du délaminage, en optimisant le paramètre de ténacité.

De nouveaux domaines à explorer

Satisfait de ces premiers résultats, Safran va poursuivre cette approche avec EikoSim en l’appliquant sur un plus grand nombre d’essais et de matériaux, afin notamment d’identifier des paramètres dans les domaines non-linéaires des matériaux.

« Nous pensons que cela permettra de réduire le nombre d’essais en tirant plus d’informations de chacun, afin d’en réduire le coût et le temps passé. Nous pensons aussi l’utiliser dans notre thématique impact (oiseaux, grêlons…) en tenant compte des effets d’inertie dans l’identification de modèles matériaux sous chargement dynamique rapide. En bureau d’études nous espérons pouvoir valider des modèles de pièces éléments finis directement à partir des essais sur pièces réelles. Enfin, nous allons étendre le couplage avec de multiples solveurs et pré/post travaillant en explicite et en dynamique rapide que nous utilisons pour la modélisation des impacts ».

On le voit EikoSim a de beaux jours devant lui !

Jean-François Prevéraud

Pour en savoir plus : http://eikosim.com