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Calcul numérique et sens physique

Publié le 13/02/2017

Plus vite, plus grand, plus complexe…

L’ingénierie mécanique a subi de profondes mutations avec l’accroissement de la puissance des ordinateurs et l’amélioration des méthodes numériques. À titre d’exemples, il est désormais possible de réaliser des calculs de tailles extrêmement importantes incluant des non-linéarités de diverses natures (contacts, comportements matériaux, grands déplacements) ou de prévoir la propagation simultanée de plusieurs fissures (avec bifurcations), sans remaillage, grâce à la méthode des éléments finis étendus. À chaque avancée, de nouvelles portes s’ouvrent, comme la simulation de phénomènes d’érosion ou la réalisation d’analyses multiphysiques. En plus de l’évolution des moyens de calculs, d’autres progrès remarquables ont été effectués qui facilitent grandement les phases de mise en données et de post-traitement des analyses, au moyen de logiciels toujours plus ergonomiques. 

 

En marge du progrès…

Cette révolution, qui a bouleversé les pratiques et les comportements humains dans le domaine de la simulation, a aussi laissé émerger une dérive d’un genre nouveau... Loin d’idéaliser une époque révolue, force est de constater que de profonds changements sont en marche dans la manière avec laquelle les ingénieurs et techniciens en charge d’études numériques appréhendent désormais la physique. Pour résoudre des problèmes compliqués, ils ont tendance à effectuer des analyses de plus en plus complexes, là où jadis ils cherchaient à simplifier la réalité, par le raisonnement et par le sens physique, jusqu’à la rendre abordable avec de modestes moyens de calcul.

Un autre constat se confirme parallèlement d’année en année dans le monde industriel : le temps moyen pendant lequel les ingénieurs réalisent des analyses mécaniques dans les bureaux d’études décroît au profit de la gestion de projets et de la mobilité. L’industrie accepte ou suscite cette évolution, considérant que l’évolution des moyens numériques permet de réduire la durée de formation des employés à leurs postes de travail, tout en améliorant leur efficacité en matière d’exploitation des résultats. Cela est indéniable, mais génère également, à longue échéance, des dangers à ne pas sous-estimer. L’aptitude des ingénieurs nouvellement diplômés à utiliser les codes de calculs sophistiqués utilisés durant leurs stages ne suffit pas à leur donner un recul par rapport à la physique qui est à la hauteur de leurs aptitudes en matière d’informatique, au sens large. La capacité d’anticiper la manière dont les composants mécaniques se comporteront durant leur cycle de vie est une compétence essentielle dans l’industrie de pointe et un réel facteur différenciant.  

Des hommes et des machines…

Cette compréhension de la physique appliquée à la mécanique est une compétence qui ne peut pas être déléguée en totalité à des codes de calculs. Aussi performants soient-ils, ils fournissent des résultats faux dès qu’ils utilisent de mauvaises données d’entrée ou des conditions aux limites ne représentant pas correctement la réalité. Ils sont certes indispensables de nos jours, mais doivent être maniés avec une compétence minimale, que ce soit en amont des analyses, lors de la définition de la stratégie de modélisation et de l’application des chargements, de l’introduction des données matériaux et des conditions aux limites, et des hypothèses de résolution, ou durant l’interprétation des résultats. L’exploitation des sorties obtenues sans esprit critique relève de l’inconscience technique ! La vérification de la plausibilité des résultats et leur confrontation au bon sens, ainsi que la vérification d’ordres de grandeur, sont des garde-fous qu’il est indispensable de préserver, voire de renforcer, quel que soit le degré de sophistication des codes de calcul.

Rentabilité et rentabilité !

Renforcer le sens physique des ingénieurs et des concepteurs ne grève nullement les entreprises, bien au contraire ! Avec un investissement minimum et un management attentif, la pratique et la culture du sens physique dans les bureaux d’études évitent de générer des résultats erronés et la nécessité de recommencer des études longues et coûteuses. Dans certains cas, elle peut également permettre d’obtenir directement les résultats attendus, sans effectuer d’analyses au sens classique du terme. La maîtrise des composants mécaniques est la clé de la rentabilité des entreprises de pointe. Or cette maîtrise ne repose ni sur le nombre ni sur la complexité des calculs réalisés, mais sur la pertinence des analyses, quelle qu’en soit la nature (analytique, numérique, logique…). 

Connaissance versus compétence…

Maîtriser les phénomènes physiques avant d’engager une modélisation et un calcul n’est pas une capacité innée chez l’homme. Certes, les cursus scolaires s’emploient à former les étudiants, mais généralement d’une manière plus théorique et conceptuelle qu’en faisant appel à leur expérience personnelle et à leur intuition. Historiquement, une longue pratique de calculs analytiques sous l’œil de référents permettait la transmission du savoir relatif aux produits et aux métiers de la mécanique. Aujourd’hui, c’est de moins en moins le cas, du moins durant une période compatible avec le développement de l’esprit critique. L’être humain acquiert beaucoup plus rapidement des connaissances que du recul, c’est-à-dire de la compétence… 

Les apports du sens physique

La pratique du sens physique dans la conception des composants mécaniques ou dans la recherche des causes d’anomalies, ou dans la manière de bien poser un problème et d’interpréter correctement les résultats peut se révéler d’une étonnante efficacité, même dans des cas relativement difficiles. Quelques exemples l’illustrent :

-   la possibilité de prédire, sans calculs, la bifurcation de fissures sous sollicitations tridimensionnelles,

-   la prévision des faciès de rupture selon les types de matériaux (ductile ou fragile),

-   l’explication de la réduction drastique de la durée de vie des composants soumis à des chargements multidirectionnels appliqués hors phase, par rapport au cas où ils chargés en concordance de phase,

-   l’augmentation surprenante de l’effort à rupture d’une éprouvette entaillée par rapport à une éprouvette lisse de même section minimale, dans le cas de matériaux ductiles,

-   la prévision des évolutions non linéaires des contraintes radiales et circonférentielles dans des tubes pressurisés ou dans des disques en rotation,

-   le caractère plus dimensionnant des régimes transitoires que des fonctionnements stabilisés à pleines charges…

Cahier des charges d’une formation « sens physique »

Dans le contexte industriel actuel, la formation constitue un excellent rapport « qualité/prix » pour développer le sens physique en mécanique et en thermique. Toutefois, la singularité d’une telle formation impose un format original et une pédagogie adaptée où l’humain a autant d’importance que la technique.

Une formation de cette nature n’est pas destinée à remplacer les formations techniques classiques, mais doit en constituer un complément utile et efficace. Elle doit relever le défi de développer, en peu de temps, un esprit critique fiable qui permet aux stagiaires de vérifier la pertinence des résultats numériques qu’ils obtiennent ou celle d’assertions qu’ils sont susceptibles d’entendre dans leur milieu professionnel. Elle doit également les laisser durablement alertés par les risques de raisonnements physiques erronés et leur inculquer des bases solides pour penser vite et bien, sans recourir systématiquement à des logiciels utilisés en « boîtes noires ». Elle doit aussi les rendre capables d’éviter, dans certains cas, d’engager des calculs dont les résultats peuvent être connus a priori, en pensant bien. Elle doit enfin promouvoir les raisonnements susceptibles de concourir de façon fiable à la résolution des problèmes et apprendre à se méfier de ceux constituant des faux-amis !

Pour relever de tels défis, la formation « sens physique » pourrait avoir les caractéristiques suivantes :

-   se baser sur de nombreux d’exemples, allant de cas élémentaires à des situations complexes, ainsi que sur l’analyse d’incidents ou d’accidents (tous ces exemples devant trouver des applications industrielles directes), 

-   être (de préférence) dépourvue d’équations, de manière à permettre à chaque stagiaire de rester concentré sur les exemples et sur les raisonnements, sans risquer d’être déstabilisé par des formalismes mathématiques lui échappant,

-   déployer une pédagogie adaptée à l’humain, s’appuyant sur les trois piliers suivants :

§  la logique,

§  l’expérience de chaque personne (depuis son enfance),

§  le recours à des analogies. Par analogies, il faut entendre celles relevant de domaines variés de la physique comme l’hydraulique, l’électricité, la mécanique ou la thermique, mais également d’autres types d’analogies appartenant aux sciences humaines. Ce pilier est aussi celui des images, car les images marquent, pourvu qu’elles soient fortes.

Cette palette de moyens et de méthodes doit proposer différents points de vue sur les notions physiques étudiées, de manière à ce que chaque apprenant puisse se laisser interpeler par l’éclairage qui lui sied le mieux, selon sa personnalité et son état d’esprit. De cette manière, les messages ne sont pas simplement mémorisés, mais compris en profondeur et pour longtemps… 

 

Biographie  

Alain Pyre a commencé sa carrière en 1989 en tant que chercheur sur un projet de l’ESA. Il a ensuite rejoint la Société Européenne de Propulsion puis la Division Moteurs Spatiaux de Snecma où il a exercé différents postes de calculateur, de chef de projet et de responsable de services d’études et de méthodes. Parallèlement, il a développé une expertise dans le domaine de la thermomécanique et de la rhéologie et est actuellement expert sénior et chef du service Système Thermomécanique Moteurs au sein d’Airbus Safran Launchers. Depuis plusieurs années, il intervient auprès d’étudiants de l’Université de Liège et de l’ISAE-Toulouse, pour présenter des problématiques industrielles complexes en mécanique. Il est également formateur à Safran Corporate University et responsable de la formation Sens physique en thermomécanique qu’il s’apprête à animer à l’Ecole Polytechnique Executive Education.

Rédigé par: Polytechnique Exed

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