L’ingénieur « prédictif » – Le Nostradamus du développement de produits

Le développement de produit constitue une étape charnière dans le processus de la commercialisation. Si l’objet a été mal conçu ou ne répond pas au cahier des charges, on doit s’ajuster ou recommencer. Le produit risque-t-il de fuir ? Se brisera-t-il si on le laisse tomber d’un, deux ou dix mètres ? Comment le rendre plus léger sans négliger les performances ? Combien de temps va-t-il durer ? Comment se comportera le produit s’il est utilisé en dehors des spécifications d’usage ? Des questions auxquelles ont doit, plus tôt que tard, trouver des réponses.

Le jumeau numérique

L’optimisation numérique permet de modéliser en trois dimensions des phénomènes physiques complexes. Du même coup, elle contribue à limiter les dégâts d’une mauvaise conception d’un produit, en améliorant ses propriétés multifonctionnelles tout en maximisant le design, la masse et la répartition de la matière.

La simulation par ordinateur et l’optimisation de produits se réalisent désormais le plus en amont possible et concernent non seulement le produit, mais également le processus de fabrication, afin de produire le bon produit du premier coup. On prédit alors le comportement d’un système avant même que ce dernier ne subisse les forces et déplacements des essais physiques. On crée en quelque sorte un clone numérique reflétant l’environnement dans lequel le produit évoluera, en lui faisant subir tous les tests (bruit, vibrations, déplacement d’air, etc.) qu’ils auraient à subir tout au long de sa vie utile, dans le but de minimiser les impacts et les risques et d’en augmenter la qualité.

« L’idéal, estime Daniel Duceppe, chef de service, ingénierie prédictive au Centre de technologies avancées (CTA) BRP – Université de Sherbrooke, est de partir d’une page blanche et de terminer avec un prototype pleinement fonctionnel en passant par toutes les étapes de la création, incluant l’ingénierie prédictive (conception, CAD, analyse par éléments finis, prototypage, les essais jusqu’au produit fini). »

Prophètes virtuels

On utilise des programmes informatiques permettant de simuler des problèmes physiques réels et complexes, pour effectuer des calculs répétitifs afin de résoudre un problème mathématique. On peut distinguer des impacts qu’on ne peut voir à l’œil nu et comprendre des phénomènes qui ne sont pas manifestes.

« Depuis toujours, la science et l’ingénierie ont été prédictive, raconte M. Duceppe. Bien avant Isaac Newton, on essayait de décrire les phénomènes physiques par des formules mathématiques. On a utilisé des outils de calcul de plus en plus complexes jusqu’à la venue de l’ordinateur, qui a permis la technique du calcul par éléments finis. Cette approche demande d’effectuer beaucoup de calculs répétitifs pour résoudre un problème mathématique. »

Réduire le poids sans diminuer les résistances

Pour le développement d’un véhicule, par exemple, la technique d’optimisation topologique et paramétrique en analyse structurale représente l’une des applications de l’ingénierie prédictive. La résistance mécanique des matériaux fait partie des premiers objectifs visés. On recherche, par exemple, une masse minimum, une rigidité cible ou encore un niveau de contraintes approprié pour l’application étudiée. On permet au logiciel d’optimisation d’itérer (effectuer plusieurs calculs à répétition) sur ces paramètres et on se retrouve parfois avec des formes que l’on ne peut produire en industrie.

« À ce moment, explique le chercheur du CTA, le logiciel enlève de la matière pour donner une forme qu’on ne peut généralement pas produire avec des procédés industriels conventionnels, mais offre aux ingénieurs et techniciens un niveau de compréhension supérieur sur la forme optimale que l’objet doit avoir, et permet d’accélérer la conception. Il faudra bien sûr des phases subséquentes d’interprétation par les ingénieurs afin d’en faire un objet « produisible » à grande échelle. »

L’allègement de structures par exemple ne peut être optimisé sans tenir compte de la résistance aux contraintes mécaniques. On ne peut donc pas diminuer le poids d’une structure en creusant au hasard ou encore en remplaçant le métal par un composite. On doit tenir compte de la nouvelle répartition des tensions et du déplacement des seuils de résistance.

Question de vie ou de mort!

Dans certaines situations à haut risque, on n’a pas de deuxième chance : le prototype doit fonctionner dès sa mise en service. C’est le cas par exemple de la construction d’un pont, de la mise en route d’un avion ou d’un hélicoptère ou encore d’un VTT qui effectue des sauts de plus de six mètres de hauteur.

« On ne peut oublier qu’en aéronautique, le premier prototype d’avion doit fonctionner, lance M. Duceppe. Ça doit fonctionner du premier coup! Dans ce domaine, comme beaucoup d’autres en génie, on s’appuie énormément sur la simulation pour y arriver. »

Par ailleurs, l’optimisation du poids et du volume d’un système contribue non seulement à réduire le coût des matières premières et de l’énergie, mais aussi à diminuer les frais de livraison. C’est également l’occasion de garantir le respect des normes internationales ou encore de certifications pertinentes favorisant la conquête de nouveaux marchés.

Par Roger Riendeau

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