Réduction dimensionnelle, jumeau numérique, réalité virtuelle : le LAMPA au cœur des avancées scientifiques au service de l’industrie

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Lancé en 2019, la chaire Create-ID avec ESI Group, éditeur au niveau mondial de logiciels et spécialiste de services de prototypage virtuel, a pour objectif de développer des recherches et des formations dans la simulation numérique temps-réel et de l’intelligence artificielle. Depuis 2 ans, le laboratoire de recherche le LAMPA, du campus Arts et Métiers d’Angers, contribue à cette chaire.

Depuis 2 ans, le laboratoire de recherche le LAMPA du campus Arts et Métiers d’Angers contribue à la chaire de recherche ESI Group sur les thématiques portant sur la réduction de modèles, les approches multi échelles en temps, le lien d’un modèle physique avec la réalité virtuelle. Rencontre avec Amine AMMAR, Directeur Adjoint du LAMPA et porteur du projet sur Angers qui nous éclaire sur cette chaire et ses travaux qui touchent à la numérisation des métiers de l’industrie.

Amine AMMAR LAMPA ANGERSQuels sont les objectifs de cette chaire et ses enjeux ?

Cette chaire, où se côtoient recherche fondamentale et recherche appliquée, touche à la numérisation des métiers de l’industrie. L’objectif de la Chaire est double : trouver les corrélations qui aideront à prendre les bonnes décisions et montrer que les résultats auront des retombées importantes, notamment pour le confort de l’être humain lors de son interaction avec son environnement.

La Chaire possède deux volets. Le volet enseignement et le volet recherche qui portent sur la simulation de la production en temps réel à partir de modèles physiques ; sur la modélisation et la simulation conduites par des données et l’intelligence artificielle ; et, enfin, sur l’hybridation de ces deux composantes afin de créer différentes typologies de jumeaux numériques.

Nous sommes aujourd’hui souvent confrontés à des situations où les données doivent servir à enrichir les modèles, et les modèles doivent servir pour rendre plus intelligentes les données. La finalité consiste à prédire le comportement d’un matériau, d’un procédé, d’un organe, d’une structure ou d’un système et cela tout au long de son cycle de vie.

Quelles sont les thématiques de recherche sur lesquelles le LAMPA travaille particulièrement ?

Les thématiques sont définies en étroite cohérence avec le besoin du groupe ESI et diffusés au travers du directeur de la chaire Create-ID Francisco Chinesta, ainsi que Jean-Louis Duval, directeur de l’innovation d’ESI Group.

Les activités de recherche du LAMPA se focalisent plus particulièrement sur différentes méthodes de réduction dimensionnelle. La réduction dimensionnelle est un processus étudié en mathématiques et en informatique qui consiste à prendre des données dans un espace de grande dimension et à les remplacer par des données dans un espace de plus petite dimension. La réduction de modèle permet de réduire le temps de calcul (CPU) d’une simulation, d’un procédé ou d’un écoulement par exemple.

La réduction dimensionnelle peut ainsi être appliquée dans différents domaines, que ce soit pour les procédés de mise en forme par fonderie, soudage ou encore au service de la réalité virtuelle et augmentée. Elle permet également de répondre à des problèmes multi-échelles en espace et en temps avec une finalité orientée sur la fatigue des matériaux ou la turbulence dans le comportement d'un fluide.

Un autre axe de recherche du LAMPA consiste en la poursuite des développements menés sur l’approche de décomposition généralisée propre (PGD). C’est une nouvelle famille de réduction dimensionnelle qui a pour mission de résoudre les problèmes de la physique en écrivant la solution sous une forme de produits de fonctions. Ses avantages sont non négligeables : cette méthode permet de calculer les résultats de problèmes de la physique en un temps très réduit et de stocker ces résultats en minimisant la mémoire informatique consommée.

Le LAMPA mène également des travaux de recherche sur les jumeaux virtuels qui fonctionnent en combinant des modèles basés sur la physique et sur les données (Intelligence Artificielle). Le jumeau numérique est une réplique numérique d’un objet ou la simulation d’une réalité. Ensuite, à l’aide de la réalité virtuelle, l’utilisateur peut visualiser la représentation faite du jumeau numérique, souvent un modèle 3D, en étant immergé dans un environnement dédié.

En quoi les travaux de recherche du LAMPA répondent aux besoins d’ESI Group et plus largement aux besoins industriels ?

Bien que les moyens de calcul actuels permettent de résoudre des modèles à plusieurs centaines de millions d’inconnues, il s’avère aujourd’hui nécessaire de proposer de nouvelles méthodes afin d’optimiser l’exploitation des ressources informatiques. Le LAMPA mène un travail de recherche amont par rapport aux développements d’outils de simulation numérique développés par ESI Group. L’enjeu est de faire évoluer les codes informatiques en cohérence avec les besoins de l’Industrie 4.0.

En ce qui concerne nos travaux de recherche sur le jumeau numérique, nous étudions en partie la relation entre les propriétés des matériaux et les procédés. Grâce au jumeau numérique nous pouvons prédire l’état de la matière lors d’un écoulement et comment cet écoulement va affecter les propriétés d’orientation ou d’organisation microscopique de cette matière. Ces propriétés locales déterminent la résistance mécanique des pièces lors de leur cycle de vie. L’enjeu est de pouvoir anticiper, par la simulation, l’état de tenue en service des pièces. Pour ESI Group l’objectif consiste à intégrer, dans leurs codes de calculs, nos travaux de recherche autour du cycle de vie du produit (de sa mise en forme jusqu’à l’intégration dans un système en fonctionnement).

Plus largement pour l’industrie, cette approche autour de la simulation permet d’identifier en amont un risque de défaillance et à terme de réduire les coûts des expériences menées sur des pièces réelles.

Depuis 2 ans, quelles sont les principales avancées apportées par le LAMPA ?

Plusieurs travaux ont touché la mise en valeur de l’apport des méthodes d’apprentissage dans des situations où la mise en place d’un modèle décrit par une ou plusieurs équations est difficile. A titre d’illustration nous pouvons présenter un exemple qui vise à réaliser une modélisation de dynamique moléculaire des suspensions composées de molécules linéaires flexibles.

Les molécules ci-dessous sont représentées par une série de billes connectées, dont la dynamique est régie par trois potentiels : le potentiel d'extension, affectant l'allongement des segments reliant les billes consécutives, celui régissant la flexion des molécules, et enfin le potentiel de Lennard-Jones décrivant l'interaction des billes (atomes) non consécutives. Ce travail de simulation mené au cœur de la chaîne d'atomes, illustré ci-dessous, permet ainsi de prédire l’état microscopique et donc d’estimer la résistance mécanique d’une pièce. Chaque matériau possède un état microscopique moléculaire qui dépend de sa composition chimique.

Simulation LAMPA   

 

 

 

Légende : un exemple d’étirement d’une chaîne moléculaire avec une simulation de type « dynamique moléculaire » à des instants différents.

En 2021 et 2022, quels sont les priorités dans la poursuite des travaux de recherche du LAMPA ?

Nous avons deux thèses pour l’année scolaire 2020-2021. La première thèse est cofinancée par Angers Loire Métropole dans le cadre de la chaire. Elle porte sur la prédiction des défauts lors du procédé de fonderie. Elle s’appuie sur les compétences en fonderie que nous avons sur le campus d’Angers avec Aude CAILLAUD et Julien ARTOZOUL. C’est un exemple de travail qui illustre la transversalité scientifique ainsi que la complémentarité des compétences du laboratoire LAMPA. 

Le contexte de ce projet s’inscrit dans une démarche d’optimisation de la qualité des pièces brutes de fonderie. L’objectif est de développer un outil numérique capable de donner une réponse en temps réel sur l’acceptabilité de la qualité d’une pièce de fonderie suite à une dérive des paramètres d’entrée du processus. La démarche consiste à construire cet outil en se basant sur les données de simulation enrichies par des mesures expérimentales. Cet outil numérique sera une aide à la décision pour la mise en place du contrôle des paramètres du process et permettra de maîtriser les propriétés du produit en temps réel.

                                        Chaire ESI Simulation LAMPA

Exemple de résultat de simulation : moule en cours de remplissage / Exemple de résultat de simulation : retassures générées (défaut)

La deuxième thèse porte sur l’utilisation d’une approche plan/hors-plan pour la prédiction du comportement des tôles minces. La mise en place de telles prédictions est d’un grand intérêt pour les procédés de fabrication de carrosseries de voitures en particulier, mais de façon plus générale pour toute pièce de faible épaisseur. On souhaite ainsi, dans le cadre de cette thèse, déterminer le plus finement possible ce qui se passe dans la direction de l’épaisseur de la tôle, soit à partir de simulations directes ou à partir de données provenant de mesures. La fabrication additive est également l’un des procédés qui trouve tout son intérêt dans ce type de prédictions et sera un enjeu futur pour nous.

Les travaux menés au LAMPA dans le cadre de la Chaire ESI, sont des illustrations concrètes de la mise en place de recherche partenariale au service de l’industrie et qui répond aux besoins industriels. Ce projet est aussi un projet collectif qui regroupe des enseignants, des chercheurs et des doctorants ce qui amène une émulation très riche pour nos travaux de recherche. 

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