Simulation: retour à la case départ pour les composites

Alors que l'on sait pratiquement tout simuler sur un véhicule actuel, l'adoption des matériaux composites va changer la donne. On ne dispose pas encore de toutes les lois de comportement vis-à-vis de la ruine et la caractérisation des matériaux est un défi de taille. Mais de nombreuses recherches sont en cours.

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Simulation: retour à la case départ pour les composites
Anaglyph a conçu un outil de conception des pièces structurales en matériaux composites.

Archimède disait : « Donnez-moi un point d'appui et un levier, je soulèverai le monde. » En écho, les experts de la simulation clament : « Donnez-nous les bons modèles comportementaux et les bonnes valeurs expérimentales, nous simulerons tous les composites du monde ! » Étonnant lorsque l'on sait que les mêmes codes de calcul et solveurs utilisés pour les matériaux métalliques sont pertinents pour les composites... Le problème, en fait, ne se niche pas dans les algorithmes mais dans les lois de comportement des matériaux et dans les valeurs tirées de l'expérimentation physique permettant de « recaler » les modèles pour qu'ils soient le plus représentatifs de la réalité. La fabrication des métaux est totalement maîtrisée depuis des décennies. On connaît ainsi avec une très grande précision leur composition et donc leurs constantes physiques, qui ont été parfaitement établies par une multitude d'essais physiques. Ce sont aujourd'hui des matériaux standard. En revanche, les matériaux composites sont beaucoup plus « jeunes » et sont en constante évolution. De plus, les métaux sont des matériaux isotropes, c'est-à-dire ayant le même comportement face aux sollicitations dans toutes les directions d'observation, alors que les matériaux composites, qu'il s'agisse de résines renforcées de fibres courtes ou de nappes de matériaux à fibres longues noyées dans de la résine, ont un comportement anisotrope. Comportement qui dépend entre autres de la nature, de l'épaisseur et de l'orientation relative des différentes couches. De plus, en fonction de la géométrie de la pièce, l'orientation relative des nappes peut varier localement dans le moule et créer une zone ayant un comportement différent.

Une approche probabiliste pour les matériaux hétérogènes

On comprend vite que s'il est facile de « mettre en équation » le comportement des métaux, il en va tout autrement pour les matériaux composites avec lesquels il faut travailler simultanément à l'échelle macro et microscopique. « Que l'on raisonne en termes de grands process de fabrication des pièces automobile (fonderie, emboutissage, forge, soudage...), de performance des pièces (résistance, fatigue, vibration...) ou de crash d'un sous-ensemble ou d'un véhicule complet, la simulation de la filière métaux est très bien maîtrisée. La simulation permet d'approcher rapidement à quelques pour cent le comportement physique réel », estime Jean-Christophe Allain, Business Developpment Manager pour les transports terrestres chez l'éditeur français ESI Group. Par contre, du fait des multiples dispersions évoquées pour les matériaux composites, le problème se corse. « Déjà on ne pourra pas se contenter de quelques itérations, il va falloir mettre au point de nouvelles méthodologies de calcul, de véritables plans d'expériences, qui donneront une enveloppe de résultats avec un pourcentage de survenue d'incident. » Ce que confirme Patricia Millot, spécialiste de la simulation des composites chez Dassault Systèmes : « Lorsqu'on caractérise les matériaux composites on n'obtient pas une courbe comme pour les métaux, mais un nuage de points. Il va donc falloir passer d'une approche déterministe à une approche probabiliste dans une enveloppe de résultats pour le calcul. »

Et ce qui est vrai pour la simulation de la pièce l'est aussi pour la simulation des process de fabrication de la pièce. « Autant pour le métal on peut ajuster précisément les paramètres d'un process de fabrication, ampérage et pression d'une pince de soudure par point par exemple, pour arriver à ce qui a été optimisé par simulation, la reproductibilité des process de production des composites et de tous les ingrédients nécessaires conduit à des dispersions importantes », constate Antoine Langlois, senior technical manager de MSC.Software France. Et encore ce ne sera pas toujours possible. Ainsi la fatigue et la durabilité des matériaux composites sous contraintes ou exposés au soleil ou à l'humidité sont des phénomènes mal connus. « Il est clair que les modèles comportementaux que nous utilisons pour la fatigue des métaux ne pourront pas être utilisés pour les composites du fait de leur hétérogénéité », explique Pierre Thieffry, chef de produit chez Ansys.

Modéliser le vieillissement des composites

De même, l'intégration prometteuse de fibres naturelles (chanvre, lin...) dans des résines pose le problème de la caractérisation des biomatériaux par définition très hétérogènes. C'est pourquoi de nombreux essais et recherches sont menés à la fois chez les constructeurs, les fournisseurs de matière et les éditeurs de logiciels de simulation, avec l'appui de laboratoires universitaires.

Des recherches tous azimuts à la fois coûteuses et longues, bien peu compatibles avec la sortie de véhicules ayant une forte part de composites en 2020. « Il va donc falloir que les constructeurs définissent rapidement une palette restreinte de matériaux et d'applications standard, afin de limiter les champs d'investigation. À ce jeu les thermoplastiques, grâce à leur temps de cycle de fabrication réduit, semblent en pointe », estime Jean-Christophe Allain.

Autre point important dans la simulation des éléments en matériaux composites, leur assemblage. Qu'il s'agisse de collage, de boulonnage ou de rivetage, là encore beaucoup de travaux de modélisation et de caractérisation restent à faire, notamment vis-à-vis du vieillissement et de la résistance à la fatigue.

Il est clair que le remplacement progressif des matériaux métalliques par des composites va imposer un recours beaucoup plus important à la simulation durant le développement et l'optimisation des pièces concernées. Heureusement les capacités de traitement des supercalculateurs augmentent aussi vite que la taille des modèles. Toutefois cela représentera un surcoût qui pèsera dans l'équation économique globale de l'allégement des véhicules.

Le crash test virtuel doit faire des progrès

Le crash-test virtuel est crucial pour la sécurité chez les constructeurs automobiles car il représente finement le comportement d'un véhicule dans une multitude de cas d'accident qu'ils ne peuvent tester physiquement. Mais ce qui est faisable sur les véhicules actuels le sera-t-il lorsqu'ils intégreront une forte proportion de composites ? Rien n'est moins sûr. Les crash induisent de grandes vitesses de déformation et de grands déplacements avec des modes de ruine complexes. « Autant ils sont maintenant bien connus pour les métaux, autant beaucoup de recherches sont encore nécessaires pour les composites, car on a simultanément du délaminage de couches, des ruptures de fibres et de résine », constate Antoine Langlois de MSC.Software. « Mais rien n'est insurmontable. Nous en sommes simplement où nous en étions avec les métaux voici 15 ans », estime Jean-Christophe Allain, d'ESI Group.

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