Rédigés au cours de la seconde moitié du XIXe siècle, les romans de l’écrivain français Jules Verne (1828-1905) évoquent les avancées scientifiques de son siècle. Verne partageait la conception positive du progrès technique, théorisée entre autres par le philosophe français Auguste Comte (1798-1857). Confiant en l’inventivité humaine, il l’exprime en ces termes à l’explorateur français Charles Lemire (1839-1912), son premier biographe : « Tout ce que j’imagine restera toujours au-dessous de la vérité, car il viendra un moment où les créations de la science dépasseront celles de l’imagination. »

Publié en 1870, Vingt mille lieues sous les mers est l’une de ses œuvres les plus traduites [VER 70]. Comptant également de nos jours parmi la vingtaine de livres les plus vendus au monde, elle a donné lieu à de nombreuses adaptations au cinéma, à la télévision ou en bande dessinée. Le professeur Aronnax, éminent expert du Muséum d’histoire naturelle de Paris, son domestique Conseil et Ned Land, marin expérimenté et harponneur chevronné, embarquent à bord de l’Abraham Lincoln, engageant la recherche d’un monstre marin. La bête extraordinaire est en réalité une machine d’acier et d’électricité : le Nautilus, formidable engin imaginé, construit et commandé par le capitaine Nemo, afin de régner en maître dans le monde sous-marin. Au cours de leur long séjour à bord du submersible, les trois héros du roman vont découvrir des paysages magnifiques et vivre des aventures incroyables. Ils mesureront l’immensité de l’océan, de ses ressources et de ses richesses. Voyage de rêve pour le professeur Aronnax, prison dorée pour Ned Land, cette étrange épopée leur fera parcourir plus de vingt mille lieues sous les mers. Verne prête ces mots au capitaine Némo :

« Si tout est danger sur un de vos navires soumis aux hasards de l’Océan, si sur cette mer, la première impression est le sentiment de l’abîme, comme l’a si bien dit le Hollandais Jansen, au-dessous et à bord du Nautilus, le cœur de l’homme n’a plus rien à redouter. Pas de déformation à craindre, car la double coque de ce bateau a la rigidité du fer ; pas de gréement que le roulis ou le tangage fatiguent ; pas de voiles que le vent emporte ; pas de chaudières que la vapeur déchire ; pas d’incendie à redouter, puisque cet appareil est fait de tôle et non de bois; pas de charbon qui s’épuise, puisque l’électricité est son agent mécanique ; pas de rencontre à redouter, puisqu’il est seul à naviguer dans les eaux profondes ; pas de tempête à braver, puisqu’il trouve à quelques mètres au-dessous des eaux l’absolue tranquillité ! Voilà, monsieur. Voilà le navire par excellence ! Et s’il est vrai que l’ingénieur ait plus de confiance dans le bâtiment que le constructeur, et le constructeur plus que le capitaine lui-même, comprenez donc avec quel abandon je me fie à mon Nautilus, puisque j’en suis tout à la fois le capitaine, le constructeur et l’ingénieur ! » [VER 70]

Comment concrétiser le rêve du capitaine Némo ? Comment concevoir un navire et assurer à son équipage qu’il leur permettra une navigation sûre, dans des conditions de mer difficiles ou durant des opérations délicates ? Les ingénieurs du XXIe siècle ont à leur disposition l’expérience et le savoir-faire de ceux qui les ont précédés, leur sens physique et la somme de leurs connaissances techniques – ainsi que le retour d’expérience d’accidents tragiques, racontés par exemple, pour certains, au cinéma [BIG 02, CAM 97]. D’autres outils leur sont aussi disponibles : ceux de la simulation numérique* en particulier [BES 06].

(a) Sous-marin en navigation
(Source : Marine Nationale)

(b) Simulation hydrodynamique
(Source : Naval Group)

Figure 1.1. La simulation numérique accompagne de nos jours la conception d’un navire aussi complexe que les sous-marins [BOV 16, REN 15]

 

1. La modélisation numérique

 

1.1.Modéliser

La simulation numérique se fonde sur le postulat qu’il est possible de rendre compte de phénomènes physiques – ou autres (biologiques, économiques, démographiques, physiologiques, etc.) –, au moyen de modèles mathématiques. Constitués d’un ensemble d’équations, ils sont construits avec un certain nombre d’hypothèses bornant leur utilisation. La validité du modèle est attestée par une confrontation avec la réalité physique et sa précision dans un domaine donné fait l’objet d’un consentement dans la communauté des ingénieurs. Dans ces conditions, le modèle mathématique acquiert une capacité prédictive importante. Il peut alors être utilisé pour caractériser l’entité étudiée : par exemple, prévoir la durée de vie d’un appareil électrique, le confort acoustique et thermique d’une salle de spectacle, la consommation de carburant d’une automobile, le rendement d’une éolienne… ou la vitesse de navigation d’un sous-marin.

Depuis l’époque de Jules Verne, nous vivons dans un monde dans lequel les techniques, fruits de connaissances et de pratiques transmises par les femmes et les hommes, sont présentes dans les moindres objets de notre quotidien. La simulation numérique accompagne de nos jours l’ensemble du cycle de vie de nombreuses réalisations et productions industrielles, comme en témoignent ce simple exemple. Afin d’être agréable à porter, une paire de lunette doit se faire oublier ! Verres et montures sont souvent fragiles, et en identifiant leurs zones de fragilité, la simulation permet de choisir des matériaux légers et des formes résistantes (figure 1.2).

Figure 1.2. Calcul de résistance d’une paire de lunettes (Source : image réalisée avec le code COMSOL Multiphysics® et fournies par COMSOL/www.comsol.fr)

Commentaire sur la Figure 1.2.– Le calcul présenté a pour objectif d’identifier les zones de fragilité d’une paire de lunettes. Il se fonde sur des équations décrivant le comportement mécanique des matériaux (verres, monture) et produit des données exploitables par des ingénieurs. Celles-ci sont représentées sur l’objet en utilisant un code de couleur : les zones en rouge indiquent les points de rupture potentielle. Le calcul est conforme à notre expérience : dans la majorité des cas, la monture aura tendance à se rompre par la fine zone de jonction entre les deux verres…

La simulation numérique s’impose aujourd’hui dans le monde industriel et dans de nombreuses disciplines scientifiques. Elle contribue fortement à l’innovation de ce secteur, en répondant à deux objectifs principaux :

  • La maîtrise des risques techniques. Elle permet la constitution de dossiers règlementaires, la démonstration de sécurité et de fiabilité, l’élaboration d’études d’impact environnemental, etc. ;
  • La performance économique. Elle concourt à l’optimisation des produits, à la démonstration de leur robustesse, à la prédiction de leurs performances ou à la réduction de leur coût de fabrication et d’utilisation [COZ 09].

De leur conception à leur démantèlement, en passant par leur production, mise en service et exploitation, la simulation devient un outil généraliste qui bénéficie du développement des techniques numériques. Le calcul sur ordinateur permet de nos jours de modéliser* de nombreux phénomènes physiques avec une précision satisfaisante. Elle s’améliore en même temps que les performances des calculateurs s’accélèrent. Au point que l’on peut même imaginer aujourd’hui se passer d’essais sur prototypes avant la mise en service d’un produit. Le constructeur aéronautique français Dassault Aviation annonce par exemple avoir conçu l’un de ses avions avec l’aide exclusive de la simulation [JAM 14] !

 

 


Extrait du livre La simultation numérique, un art de la prédiction, Jean-François Sigrist, ISTE Editiones, 2019.

Egalement disponible en anglais en deux tomes :

Tome I

Tome II

Retrouvez Jean-François Sigrist sur son site.

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