Qu'est-ce que l'ingénierie assistée par ordinateur (IAO) ?

L'ingénierie assistée par ordinateur (IAO) est une sous-discipline de l'ingénierie qui utilise des outils logiciels pour simuler et optimiser numériquement des conceptions de produits. L'IAO est utilisée dans de nombreux secteurs pour aider à l'analyse des défaillances, améliorer les performances, réduire les coûts de développement, raccourcir les cycles de conception et offrir aux ingénieurs une meilleure compréhension des performances de leurs produits.

Initialement développés dans l'industrie aérospatiale, les outils d'IAO ont évolué pour devenir une partie intégrante du processus d'ingénierie, orientant souvent les décisions de développement bien avant la disponibilité de prototypes physiques. La capacité à tester virtuellement des scénarios réels, à répondre à des questions critiques de conception et à valider les fonctionnalités et les performances dès les premières phases fait de l'investissement dans les outils et compétences d'IAO l'un des meilleurs retours sur investissement en ingénierie.

Les outils d'IAO créent une représentation mathématique du comportement d'un ensemble donné de géométrie, de matériaux, de connexions et de contraintes soumis à des charges appliquées. L'objectif de toute simulation IAO est de définir les grandeurs connues d'un système et de calculer les inconnues. Elle est utilisée à la place des essais physiques lorsque cela est possible, ou pour réduire le nombre d'itérations lorsque des essais réels sont nécessaires.

Termes courants utilisés en IAO

Avant d'aborder le processus en trois étapes utilisé en IAO, examinons quelques termes courants.

• Charge : une force externe ou une variation d'énergie appliquée au modèle numérique.
• Contrainte : une valeur caractéristique du modèle, associée à un degré de liberté, fixée par l'utilisateur.
• Conditions aux limites : charges et contraintes appliquées au modèle.
• Connexions : définition de la façon dont les grandeurs physiques sont transférées entre les différents éléments du modèle. Il s'agit généralement de charges ou de contraintes, comme la pression ou le déplacement.
• Propriétés du matériau : définition du comportement d'un matériau donné lorsque des conditions aux limites lui sont appliquées. Des propriétés comme la rigidité, la conductivité ou la densité en font partie.
• Modèle : représentation mathématique des propriétés connues et de leur réponse aux charges appliquées.
• Maillage : de nombreux outils d'IAO divisent le domaine du modèle en zones ou volumes géométriques discrets, appelés cellules ou éléments. La définition mathématique de ces éléments et de leurs connexions constitue le maillage, et le processus de discrétisation est appelé maillage ou « meshing ».
• Solveur : algorithme utilisé pour calculer les inconnues à partir d'un ensemble de données connues.
• Résultats : représentation numérique des inconnues calculées.

Peu importe le domaine d'application de l'IAO, les praticiens suivent généralement trois étapes : le pré-traitement, la résolution et le post-traitement. La complexité de chacune de ces étapes varie en fonction de la physique prise en compte par la simulation, du niveau de précision requis, de la complexité du produit et de celle de l'environnement d'exploitation modélisé dans la maquette numérique. le processus est toujours guidé par les informations que l'équipe d'ingénierie cherche à obtenir à partir de la simulation.

Voici les trois étapes standard.

Pré-traitement : décrire le problème

Le pré-traitement est la première étape, et la plus importante, de la chaîne de simulation en IAO. C'est à ce stade que les ingénieurs documentent les valeurs connues, utilisent les logiciels d'IAO pour discrétiser la géométrie et rassemblent toutes les données nécessaires dans une base de données. La plupart des modèles commencent par la prise de la géométrie ou des composants du système, puis leur discrétisation, ou maillage. L'utilisateur doit ensuite appliquer des contraintes définissant des valeurs physiques spécifiques et déterminer les charges agissant sur la géométrie. Il doit également spécifier les propriétés de chaque matériau utilisé, les connexions entre les composants et la manière dont les conditions aux limites évoluent dans le temps. La dernière tâche des ingénieurs effectuant une simulation IAO consiste à indiquer comment le problème mathématique doit être résolu, en définissant les entrées et variables nécessaires au solveur.

Le pré-traitement est essentiel, car le solveur calcule les sorties du problème : si les entrées sont incorrectes, les résultats ne refléteront pas la réalité. C'est un cas classique de données erronées en entrée et de résultats erronés en sortie (« garbage in, garbage out » ou GIGO). Il est également important de noter que l'automatisation et l'intégration étroite avec les outils de conception assistée par ordinateur (CAO) permettent d'accélérer et d'améliorer la précision du pré-traitement.

Résolution : construire et résoudre le modèle mathématique

Le traitement effectif de la représentation mathématique construite lors du pré-traitement est appelé résolution. Le solveur convertit d'abord la définition mathématique en un ensemble d'équations, généralement des équations aux dérivées partielles, comportant des valeurs connues et inconnues. Ensuite, des méthodes numériques sont utilisées pour résoudre un grand ensemble d'équations afin de déterminer les inconnues. Bien que des logiciels soient utilisés pour effectuer ces calculs, certains algorithmes peuvent consommer d'importantes ressources en mémoire, en stockage et en puissance de calcul. L'accès à des solveurs efficaces et à des ressources de calcul haute performance est donc essentiel pour traiter de nombreux modèles d'IAO.

Post-traitement : analyser la solution

Les résultats issus de la phase de résolution sont stockés sous forme de valeurs numériques dans une base de données. Pour exploiter ces données, les ingénieurs doivent utiliser leur logiciel d'IAO afin de les convertir en représentations exploitables. Parmi les formes de résultats les plus courantes produites lors du post-traitement, on trouve :

• des graphiques,
• des géométries avec des résultats représentés par des couleurs,
• des champs de résultats visualisés sous forme de surfaces à une valeur donnée,
• des écoulements de fluides représentés par des lignes de courant, des champs par des flèches ou des trajets lumineux par des rayons,
• des géométries déformées,
• des tableaux,
• des fichiers contenant les valeurs et leurs coordonnées.

Les représentations de géométrie colorée sont les sorties les plus fréquentes créées en post-traitement. Dans la plupart des cas, le post-traitement est utilisé pour fournir des informations permettant de vérifier et valider les conceptions, ou pour aider à la prise de décision dans les processus de conception ou de fabrication.

Une partie importante de l'IAO consiste à modifier le modèle et à relancer la résolution afin d'évaluer l'impact de ces changements sur les résultats. Cela peut être réalisé manuellement par l'ingénieur ou en automatisant des boucles, appelées optimisation, qui font varier paramétriquement les entrées à l'aide d'un algorithme convergeant vers les valeurs de sortie souhaitées. La plupart des logiciels modernes d'IAO intègrent des capacités de scripting permettant d'automatiser et de piloter ces itérations. De plus en plus, cela se fait via une API Python, comme avec l'outil PyAnsys, qui offre un accès pythonique aux logiciels Ansys au sein de l'ensemble des outils d'IAO de la suite.

Techniquement, l'IAO regroupe toute simulation dans laquelle l'utilisation d'un ordinateur intervient pour calculer le comportement d'un produit. Les ingénieurs peuvent classer leurs simulations selon le type de physique traité ou selon le type de solveur utilisé.

Types d'IAO par physique

• Structurelle et mécanique :    
  • Analyse structurelle : déflexion et déformation des matériaux sous chargement statique.
  • Analyse dynamique : déflexion sous charges variables dans le temps et réponse en fréquence propre. Comprend également la simulation acoustique.
  • Dynamique explicite : déflexion et déformation sur des durées très courtes.
  • Dynamique multi-corps (MBD) : déplacement relatif de corps dans un système, modélisant la cinématique lorsque la quantité de mouvement n'est pas prise en compte.
• Thermique et fluide
  • Thermodynamique : génération de chaleur et transfert d'énergie dans un système.
  • Combustion et dynamique moléculaire : production de chaleur issue de réactions chimiques.
  • Transfert de chaleur ou analyse thermique : propagation de la chaleur par convection, conduction et rayonnement.
  • Dynamique des fluides numérique (CFD) : écoulement de fluides dans un système et résolution des équations de Navier-Stokes.
• Électronique et électromagnétisme :
  • Simulation de circuit : circulation du courant et tensions dans les systèmes électriques.
  • Simulation logique et RTL : signaux numériques dans les circuits.
  • Électromagnétisme basse fréquence : champs électromagnétiques dont la longueur d'onde est grande devant l'objet.
  • Électromagnétisme haute fréquence : champs électromagnétiques dont la longueur d'onde est plus petite que l'objet.
  • Simulation d'intégrité du signal : interactions des signaux entre circuits.
• Autre :
  • Simulation de système (1D) : représentation par blocs d'un système où chaque bloc représente un composant du système.
  • Simulation de processus : simulation 1D de processus variés, du traitement chimique à la chaîne logistique.
  • Technologie CAO : fonctionnement physique des transistors dans un circuit intégré (CI).
  • Simulation optique : propagation de la lumière (réfraction, réflexion, rayonnement, absorption).
  • Multiphysique : deux physiques sont combinées dans une même simulation. Les plus courantes sont l'interaction fluide-structure (FSI) et électrothermique.

Types d'IAO par solveur

Différents types de physique peuvent être résolus à l'aide de plusieurs types de solveurs. Par exemple, pour calculer le transfert de chaleur, les simulations de transfert thermique peuvent utiliser des solveurs par éléments finis, différences finies ou volumes finis.

Voici les types de solveurs les plus courants auxquels les ingénieurs se réfèrent lorsqu'ils expliquent l'approche IAO qu'ils utilisent :

• Analyse par éléments finis (FEA) : calcul sur des éléments issus d'une discrétisation de la géométrie à l'aide de l'algèbre linéaire. L'analyse par éléments finis est l'approche de solveur la plus courante en IAO. Elle est principalement utilisée pour les analyses structurelles, électromagnétiques et thermiques.
• Analyse par différences finies (FDM) : calcul des inconnues en des points discrets du modèle. Souvent utilisée pour la modélisation de systèmes, de circuits et de processus, ainsi que pour des représentations simplifiées, parfois en temps réel.
• Analyse par volumes finis (FVM) : calcul sur de petits volumes en conservant masse ou énergie, méthode courante en CFD.
• Analyse par éléments de frontière (BEM) : résolution des champs à l'aide d'une représentation discrétisée de la surface des objets dans le système.
• Méthode des éléments discrets (DEM) : calcul de la position et de la quantité de mouvement de particules individuelles. Utilisée pour modéliser le comportement des particules pour les matériaux granulaires comme les roches, les grains ou les poudres.
• Hydrodynamique à particules lissées (SPH) : résolution des fluides à l'aide de particules plutôt que de volumes, adaptée aux phénomènes de vagues ou de ballotement.
• Lancer de rayons : calcul de la propagation, de l'énergie, de la réflexion, de la réfraction et de l'absorption de la lumière et du son.

L'utilisation efficace des solutions d'IAO est renforcée par l'exploitation des outils informatiques pour soutenir les autres étapes de l'ensemble du cycle de vie du produit, notamment le développement, la fabrication et la maintenance. Chaque domaine bénéficie non seulement des avantages de l' ingénierie numérique, mais les données peuvent également circuler plus facilement vers et depuis les outils d'IAO.

Les formes les plus courantes de domaines assistés par ordinateur sont les suivantes :

• Conception assistée par ordinateur (CAO) : l'utilisation de logiciels pour le développement de produits a commencé avec le passage des dessins physiques en 2D aux dessins CAO, puis aux modèles solides. La CAO est devenue un standard de fait depuis des décennies. Presque tous les outils d'IAO prennent en charge une intégration étroite avec les outils de CAO pour échanger des géométries et des paramètres dimensionnels.
• Conception assistée par ordinateur appliquée à l'électronique (CAOE) : similaire à la CAO dans les domaines du génie civil et mécanique, la CAOE regroupe des outils logiciels dédiés au développement de produits, avec un accent sur la configuration des systèmes électriques. La CAOE est utilisée pour définir des produits allant des transistors d'un circuit intégré à l'agencement de cartes de circuit imprimé (PCB) multicouches. Le terme automatisation de la conception électronique (EDA) désigne les outils qui assistent les ingénieurs dans la conception, la simulation, la vérification et la fabrication de circuits imprimés et de circuits intégrés.
• Fabrication assistée par ordinateur (FAO) : la CAO est également couplée à des outils permettant de planifier et d'exécuter la fabrication via des logiciels de FAO. Les outils FAO couvrent un large éventail d'applications, allant de la programmation de machines-outils à commande numérique (CNC) aux robots et lignes d'assemblage automatisées.
• Planification des processus assistée par ordinateur (PPAO) : les ingénieurs de fabrication et de procédés utilisent également des outils de PPAO pour planifier et optimiser les processus, parfois en intégrant des outils d'IAO pour le prototypage virtuel de différentes options.

La seule constante dans le domaine de l'IAO est l'amélioration continue des capacités et des performances, tirant parti des avancées du matériel informatique, des méthodes numériques et des interfaces utilisateur. Cette tendance se poursuit avec un accent constant sur la précision, la facilité d'utilisation et les performances des solveurs.

Voici quelques évolutions qui devraient apporter des améliorations dans les années à venir.

Intelligence artificielle (IA) générative

Les logiciels d'IAO utilisent l'IA, notamment le machine learning et les systèmes experts, depuis des décennies. Les recherches actuelles portent sur les réseaux neuronaux et l'intégration de modèles de langage de grande taille dans l'expérience utilisateur et les solveurs. Les utilisateurs peuvent déjà exploiter ces technologies via des outils comme Ansys Engineering CoPilot pour le pré- et post-traitement, ainsi que via des plateformes comme Ansys SimAI pour la simulation, Ansys GeomAI pour la géométrie et Ansys TwinAI pour les jumeaux numériques.

Unités de traitement graphique (GPU)

Les solveurs d'IAO bénéficient de la parallélisation massive des opérations vectorielles utilisée dans le traitement graphique et l'entraînement des modèles d'IA. Cela permet d'optimiser les algorithmes d'algèbre linéaire, d'exécuter des modèles plus grands et d'accélérer les calculs.

Miniaturisation des circuits intégrés et amélioration de la gestion de l'énergie

Il en va de même pour les améliorations apportées aux processeurs, aux GPU et aux circuits intégrés de mémoire. Des tailles de gravure plus petites permettent d'intégrer davantage de transistors et d'atteindre des fréquences d'horloge plus élevées, ce dont bénéficient directement les outils d'IAO. Il convient de noter que ces outils d'IAO jouent eux-mêmes un rôle clé dans la conception de ces composants avancés.

L'industrie aérospatiale est à l'origine de l'utilisation des outils d'IAO, mais leur adoption s'est étendue à de nombreux secteurs. Voici quelques domaines où les chaînes de simulation d'IAO font désormais partie intégrante du processus de conception :

• Aéronautique et Défense (A&D) : l'IAO fait partie intégrante du développement de produits dans l'aéronautique et la défense et de la gestion de leur cycle de vie depuis les années 1970, et demeure un élément clé des chaînes de simulation. Son utilisation est motivée par des coûts élevés, des volumes faibles, des environnements difficiles à tester et des exigences de sécurité importantes.
• Automobile : Au fil du temps, l'industrie automobile a adopté l'IAO dans la même mesure que l'A&D. L'utilisation est motivée par des préoccupations tout aussi importantes en matière de sécurité, ainsi que par la complexité croissante des véhicules, de la concurrence et des contraintes de coûts.
• Environnement de construction : Les ingénieurs en génie civil utilisent largement l'IAO pour concevoir de grandes infrastructures. L'IAO a toujours été un pilier de l'ingénierie des structures, mais son utilisation s'est étendue avec la simulation de systèmes pour les bâtiments, les autoroutes, les réseaux d'assainissement, et bien plus encore. Le secteur a été un des premiers à adopter les jumeaux numériques.
• Électronique : Les circuits intégrés modernes ne pourraient pas être conçus sans l'utilisation des outils d'IAO pour piloter et valider les conceptions. Le refroidissement, le packaging et la fabrication des systèmes électroniques complexes reposent également fortement sur ces outils d'IAO.
• Production d'énergie : Un autre groupe d'utilisateurs précoces de l'IAO est constitué des ingénieurs qui conçoivent, construisent et assurent la maintenance des équipements et des installations de production d'énergie. Des turbines à vapeur aux réacteurs nucléaires modulaires, presque chaque composant et chaque système est modélisé et testé virtuellement.
• Exploration et extraction minière, pétrolière et gazière : dans ces secteurs à forts enjeux économiques, les ingénieurs utilisent la simulation pour localiser les ressources naturelles et concevoir les systèmes nécessaires à leur extraction.

La valeur des outils logiciels d'IAO se reflète dans le très grand nombre de solutions disponibles pour les ingénieurs. Pour décider quels outils utiliser, les équipes doivent tenir compte des points suivants :

• Fournit-il les informations nécessaires pour les produits développés ?
• S'intègre-t-il de manière fluide avec la CAO et avec une paramétrisation bidirectionnelle ?
• Est-il facile à apprendre et à utiliser ?
• Dispose-t-il d'une documentation en ligne utile et d'un support efficace, y compris humain ?
• Existe-t-il un grand nombre d'utilisateurs disponibles à embaucher ou externaliser ?
• Les solveurs sont-ils modernes et efficaces, et exploitent-ils les dernières technologies matérielles ?
• L'équipe de développement propose-t-elle régulièrement de nouvelles fonctionnalités ?
• Prend-il en charge la multiphysique ?
• Le post-traitement est-il performant et permet-il de transformer rapidement les résultats en données exploitables ?
• L'équipe peut-elle facilement personnaliser le pré-traitement ou automatiser les tâches ?
• Les études paramétriques et d'optimisation sont-elles intégrées nativement ?

La suite d'outils Ansys (intégrée à Synopsys) répond positivement à l'ensemble de ces critères.

Un examen plus détaillé de ses produits phares permet de mesurer les progrès réalisés par les outils d'IAO et la valeur qu'ils apportent aux équipes d'ingénierie.

L'IAO dans la conception 3D

Le logiciel de simulation de produits 3D Ansys Discovery est un outil d'IAO de premier plan pour les équipes de conception, fonctionnant en étroite collaboration avec la CAO. Dans une interface unique et intuitive, il propose la modélisation et la modification de géométrie, des analyses structurelles, thermiques et fluidiques, ainsi que des capacités d'optimisation. Il constitue également un exemple notable d'intégration des GPU dans des solveurs avancés pour fournir des résultats quasi en temps réel, et plus récemment d'intégration d'outils d'IA pour guider les experts non-experts en IAO tout au long de la chaîne de simulation. Une fois les simulations réalisées dans l'environnement de conception 3D, les ingénieurs peuvent transférer leurs modèles vers des simulations plus détaillées en physique et multiphysique. Par exemple, les utilisateurs du logciel Discovery peuvent passer à des produits phares tels que Ansys Mechanical pour l'analyse structurelle par éléments finis, Ansys Fluent pour la simulation des fluides et Ansys HFSS pour la simulation électromagnétique haute fréquence.

Une simulation CFD dans le logiciel Ansys Discovery 3D illustrant une résolution quasi en temps réel d'un système de ventilation

Structurel, dynamique et thermique

Les ingénieurs du monde entier comptent sur le logiciel Mechanical comme outil de référence pour l'analyse par éléments finis. Bien que principalement axé sur la simulation de phénomènes structurels, vibratoires et thermiques, il prend également en charge l'acoustique, la tension électrique, la mécanique de la rupture et de nombreuses autres physiques. La simulation peut inclure des non-linéarités et des dépendances temporelles, le tout dans une plateforme ouverte et scriptable, intégrant des capacités de paramétrage et d'optimisation.

Simulation de fluides

Le logiciel Fluent est l'un des principaux représentants d'une plateforme CFD complète et robuste utilisée pour modéliser la dynamique des fluides dans de nombreux secteurs industriels. Parce que la résolution des problèmes de CFD est généralement très exigeante sur le plan mathématique, ce logiciel illustre également l'utilisation du calcul haute performance (HPC) et des GPU pour permettre des modèles plus grands et plus précis.

Électromagnétisme haute fréquence

La référence industrielle pour la simulation électromagnétique haute fréquence est le logiciel HFSS. Des circuits imprimés aux antennes destinées à l'espace lointain, les ingénieurs utilisent cet outil basé sur la méthode des éléments finis pour concevoir des produits électroniques et de communication ayant façonné l'économie moderne. C'est un excellent exemple de performance avancée, de facilité d'utilisation et d'efficacité d'exécution.

Analyse thermique en électronique

Le dernier exemple correspond à ce que l'industrie appelle une application verticale : un outil d'IAO spécialisé dans un cas d'usage précis. Le logiciel Ansys Icepak est un outil de simulation de refroidissement électronique, basé sur le solveur Fluent, conçu spécifiquement pour le refroidissement des composants électroniques et l'analyse thermique des cartes de circuit imprimé.

Ressources connexes