A l’occasion de la conférence Nafems France qui s’est déroulée les 19 & 20 novembre au Centre Technique des Industries Mécaniques à Senlis, j’ai rencontré Mohamed Bennebach, responsable R&D simulation, à la Direction de la Recherche et des Programmes du Cetim. L’occasion de faire un tour d’horizon sur les activités du Centre dans le domaine de la simulation.

Le Centre Technique des Industries Mécaniques (Cetim) a pour mission d’aider les industriels français de la mécanique pour innover, améliorer leurs produits, accroître leur compétitivité, mais aussi de les accompagner dans leur transformation numérique. « Dans ce contexte, la simulation numérique est au cœur de l’ensemble de nos activités dans de multiples domaines », explique Mohamed Bennebach, responsable R&D simulation, à la Direction de la Recherche et des Programmes du Cetim.

« C’est par exemple le cas pour les matériaux et les procédés de fabrication, aussi bien classiques qu’innovants comme la fabrication additive ou les matériaux composites, afin de comprendre leurs comportements et d’optimiser les procédés. C’est aussi le cas pour les travaux autour de la performance des systèmes mécaniques. Il faut être en mesure de les caractériser, pour prédire leur comportement et les optimiser. Donc là aussi on va retrouver beaucoup de simulation. Enfin, il y a également tous les aspects développement durable (durabilité, économie des ressources et de l’énergie, décarbonisation…), nouvelles mobilités, où, là encore, on a un certain nombre de travaux qui s’appuient beaucoup sur la simulation. Donc au final pour pouvoir apporter les réponses qu’attendent nos ressortissants, on se doit de faire des travaux de R&D dans le domaine de la simulation. »

De fait, la simulation est au cœur de toutes les directions stratégiques du Cetim : Matériaux Produits Procédés ; Performance des Systèmes ; Transformation Durable… et tous les métiers vont avoir au sein de leurs équipes des experts simulation qui travaillent sur les spécificités en lien avec leur métier. « Quasiment 10 % de notre effectif, une centaine de personnes sur 1 100, utilise la simulation au quotidien. »

Du développement spécifique aux outils standard

Mais n’oublions pas non plus qu’à la demande de certaines professions ressortissantes qui ne trouvaient pas sur le marché d’outils de simulation adaptés à leurs besoins, le Cetim a développé au fil du temps un certain nombre de logiciels métiers qu’il continue de faire évoluer (Castor, dimensionnement mécanique général ; Castor ESP, dimensionnement

mécanique des équipements sous pression ;Cobra, calcul des assemblages vissés ; Procor, dimensionnement de la protection cathodique des installations complexes en milieu humide ; Optitank dédié à la modélisation et la simulation de l’éclatement de réservoirs en composites …).

Mais dans la plupart des cas, le Cetim utilise des logiciels de simulation du commerce, ce qui représente quand même une cinquantaine de logiciels différents. « Ceci pour couvrir le large panel de nos métiers et pour utiliser les mêmes logiciels que nos ressortissants. De plus, notre but ce n’est pas de développer du logiciel, mais de développer des méthodologies pour répondre à nos travaux de R&D et optimiser l’utilisation des outils existants chez nos ressortissants. »

Effectivement, la force du Cetim, par rapport aux éditeurs de logiciels, est de disposer en interne de spécialistes des métiers concernés, tant en ingénierie qu’en production, avec des plates-formes de caractérisation, de fabrication et d’essais physiques, qui permettent de valider dans le monde réel la cohérence des résultats obtenus dans le monde virtuel. « Quand des industriels viennent nous voir pour valider expérimentalement des concepts, on s’appuie beaucoup sur la simulation pour optimiser l’essai et le faire au juste nécessaire, car nous sommes à même de choisir les bons modèles, de les calibrer, de déterminer les cas de chargement, les lois de comportement, etc. en fonction de nos retours d’expérience. De plus, en cas de résultats incohérents, on peut faire appel très rapidement à notre expertise interne (matériaux, instrumentation, métrologie…) pour analyser le problème. »

De l’action collective à la prestation de service

Cela peut se faire par le biais d’actions collectives répondant aux attentes de montée en gamme et/ou en compétences d’une profession, qui sont alors financées par la taxe que payent toutes les entreprises de la mécanique, ou par le biais de prestations de services que la ou les entreprises demandeuses financent.

Le Cetim essaye aussi d’être en avance de phase par rapport à ses ressortissants, afin d’anticiper leurs demandes, par exemple avec l’Intelligence Artificielle. « Déjà en tant que centre technique, nous faisons beaucoup de caractérisation, beaucoup d’essais, donc nous produisons beaucoup de données. Pour exploiter au mieux ce capital important, nous nous sommes intéressés à l’IA. Sans être des experts, nous sommes des utilisateurs réguliers. Cela nous permet de voir comment elle peut nous aider à analyser ces montagnes de données et à les utiliser de manière pertinente et efficace. »

Cela est particulièrement intéressant dans le contexte du jumeau numérique qui va bien au-delà d’une représentation numérique 3D ou d’un modèle virtuel classique. « Pour nous, le jumeau numérique, c’est un clone virtuel vivant d’un système physique. Pour cela, il faut que le système physique soit instrumenté et qu’il communique de manière bidirectionnelle avec son clone virtuel. Ce qui suppose l’échange permanant d’un grand nombre de données. Echange pour lequel l’IA peut

nous apporter plus de précision et de réactivité grâce à ses capacités d’analyse ultra-rapides des données. Le jumeau numérique ainsi alimenté va pouvoir grâce à la simulation multi-physique et multi-échelle, prédire par exemple des dérives par rapport au comportement attendu et modifier le régime de fonctionnement, voire arrêter l’équipement réel, avant que n’interviennent des dégradations. »

GI-JOE à la rescousse du jumeau numérique

D’ailleurs le Cetim, parmi la trentaine de projets pluriannuels qu’il même avec un peu plus de 2 000 industriels, pilote plusieurs projets autour du jumeau numérique dont GI-JOE (Génération et Intégration des Jumeaux numériques pour l’Offre industrie du futur Etendue). Celui-ci, de 12 M€ sur une durée de 5 ans, regroupe des partenaires tels des Instituts Carnot (Cetim, Ensam, Mines, Lsi, I@L ), le CNRS, l’INRIA… et des industriels de différents secteurs :(Engins mobiles (travaux publics, machinisme agricole, manutention et levage…) ; Equipements fluidiques (pompes, tuyauteries, équipements sous pression…) ; Machines de production (usinage, mise en forme, fabrication additive, robots…), afin de développer des méthodologies de création et d’utilisation de jumeaux numériques, puis de les transférer massivement vers une communauté d’environ 200 industriels.

« L’embarquement des industriels dans un tel projet est primordial. D’abord, ils nous aident à formaliser le besoin, puis ils suivent et participent aux travaux pour nous fournir des cas d’usage concrets. Et enfin, ils s’approprient et capitalisent les méthodologies au fur et à mesure que le projet avance, pour faciliter leur transfert à la fin du projet vers l’ensemble de la communauté. »

De même, les partenaires scientifiques et académiques vont aider à développer des connaissances, des méthodologies, des librairies de modèles, qui soient le plus générique possible pour pouvoir être transposables.

Enfin, GI-JOE va aussi déboucher sur une plate-forme de connaissance, de démonstration et d’expérimentation, où les PME pourront venir s’approprier ce concept de jumeau numérique et le tester sur leurs projets, en étant accompagnées, si elles le souhaitent, par des sachants que ce soit du Cetim ou du consortium, qui participent à ce projet.

Bien fixer sa mission à GI-JOE

« Mais attention, il est illusoire de vouloir créer un jumeau numérique qui fasse tout car on risque fort d’avoir un jumeau numérique qui ne fait pas grand-chose ! », prévient Mohamed Bennebach. « Il faut créer un jumeau numérique pour un objectif donné. Ainsi dans la douzaine de cas d’usage que l’on va développer dans GI-JOE on va retrouver l’optimisation de la maintenance prédictive d’un équipement, la réduction de sa consommation énergétique, la surveillance d’un composant critique, etc. Une fois que l’on a préalablement défini l’objectif et ce qu’on attend du jumeau numérique, on déploie toutes les technologies et méthodologies nécessaires pour y arriver, simulation multi-physique et multi-échelle par exemple. S’il y a des modèles lourds, il va falloir travailler sur la réduction

de modèles. De même, il va falloir travailler sur la synchronisation entre l’équipement physique et son clone virtuel en termes d’instrumentation, de connectivité via l’IoT. De fait, on va encapsuler à la demande dans le jumeau numérique, un certain nombre de briques technologiques, en fonction des problématiques qu’on regarde. »

Des simulations qui restent lourdes vu la quantité de données à traiter, même si l’on utilise des techniques de réduction de modèles, notamment dans le domaine de la mécaniques des fluides ou de la simulation des procédés. Mais la montée en puissance du HPC (High Performance Computing) et bientôt du prometteur calcul quantique, devraient permettre de limiter les temps de calcul, tout en augmentant la précision sur des modèles de plus en plus complexes.

Jean-François Prevéraud

Pour en savoir plus : https://www.cetim.fr/prestations/ingenierie-produits-procedes/ingenierie-numerique-calcul-et-simulation/