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Eurocopter simule ses hélicoptères avec Radioss

Industrie et  Technologies
Avant goût des vacances cette semaine, avec une petite excursion au bord de la Méditerranée ... pour rencontrer les spécialistes du calcul des pièces en matériaux composites d'Eurocopter.


Dès la sortie de l'aérogare, le soleil et les effluves des pins maritimes confirment que j'ai bien abandonné pour la journée la froide grisaille parisienne pour retrouver douceur de la Provence. Mais le bruit du rotor d'un Tigre partant en essai me rappelle au devoir, si je suis ici c'est pour rencontrer les spécialistes du calcul des pièces en matériaux composites d'Eurocopter et non pour profiter du chant des cigales.

Des spécialistes que je retrouve quelques minutes plus tard, le site d'Eurocopter jouxte l'aéroport de Marignane, en salle de réunion. Le calcul des structures en matériaux composites n'est pas à proprement parler nouveau chez Eurocopter puisque dès 1999 la cellule du NH90 a été calculée au crash à l'aide de Radioss de l'éditeur français Mecalog. « Nous utilisions auparavant le logiciel Samcef pour simuler les crashs et les impacts, mais force est de constater qu'il n'est pas adapté pour gérer le contact sur toute une structure. C'est pourquoi nous avons décidé de nous orienter vers un solveur explicite capable de traiter beaucoup plus rapidement les millions de degrés de liberté d'une structure maillée à 5 mm », explique Alice Vagnot, ingénieur structure au département calcul. Et le résultat ne sait pas fait attendre. Une structure qui demandait trois semaines de maillage et de calcul, peut maintenant être traitée dans la demi-journée.



Modèle de recherche d'un hélicoptère complet

L'objectif de ce type de calculs est, dans un premier temps, d'étudier et d'optimiser, en étroite relation avec les bureaux d'études, la forme et le drappage des principales pièces de la structure, afin de garantir leur conformité par rapport au cahier des charges. Ces pièces sont ensuite regroupées en sous-structures, puis en ensembles de sous-structures, pour former finalement une structure complète. Autant d'éléments qui sont validés numériquement. Notons que le bureau de calcul peut aussi être amené à travailler sur des structures endommagées en service ou mal réalisées lors de leur fabrication, pour valider si elles sont réparables et aider à définir le processus le plus adapté.

« L'objectif n'est pas de supprimer les essais physiques, d'ailleurs la certification de nos hélicoptères se fait toujours sur la base d'essais réels, mais d'optimiser les essais de développements. Pour des questions de coût et de délai, nous ne pouvons plus faire une kyrielle d'essais similaires autour de valeurs proches. La simulation numérique nous permet de faire le bon essai physique qui va nous permettre de progresser », explique Pierre Prudhomme Lacroix, responsable de la division structure au département calcul.

L'équipe calcul des structures composites travaille dans trois principaux domaines. Tout d'abord celui de l'atterrissage, normal ou accidentel, afin de valider le comportement du train d'atterrissage, des absorbeurs d'énergie et de la structure elle-même. Ensuite elle travaille sur les impacts, oiseaux, grêlons, balistique, etc., à la fois sur la structure, les verrières, les appendices extérieurs et les pales de la voilure tournante. Enfin, elle intervient aussi dans le domaine de la sécurité des occupants en validant notamment les capacités d'absorption d'énergie des sièges en fonction de multiples critères biomécaniques.

L'ensemble du département calcul représente environ 50 personnes réparties à parts égales entre les structures, composites ou traditionnelles, et la mécanique (moteur, réducteur, rotor...). Il représente environ 10 % des personnels affectés aux études.

Une méthodologie en trois étapes

Mais la validation numérique suppose la mise en place d'une méthodologie de travail rigoureuse et innovante. Celle développée par Eurocopter comporte trois étapes. La première consiste à croiser les résultats obtenus lors d'essais statiques et dynamiques réels sur des éprouvettes de matériaux, avec des simulations numériques faites à l'aide de Radioss. Cela permet de valider les constantes physiques et les lois de comportement dynamique des matériaux. Ces valeurs alimentent les simulations numériques de la deuxième étape qui se font sur des sous-structures, parallèlement à des essais physiques. On vérifie ainsi les valeurs obtenues sur les matériaux à la première étape et l'on valide aussi les algorithmes de contact et l'interaction entre les différents éléments de la sous-structure. La troisième et dernière étape est l'utilisation des valeurs et algorithmes obtenus sur d'autres éléments avec d'autres cas de charge.

« Nous avons pu par exemple ainsi valider de manière totalement numérique la résistance d'antennes et de capots du NH90 à l'impact d'oiseaux. Les essais physiques de réception ont montré une corrélation inférieure à 10 % par rapport à la simulation numérique, ce qui est très bon car c'est souvent la dispersion constatée entre plusieurs essais physiques identiques », précise Alice Vagnot.


Simulation d'impact d'oiseau sur un pare-brise

Cette méthodologie a aussi été utilisée pour valider des structures composites destinées à l'absorption d'énergie. Cela a permis d'orienter le travail des concepteurs pour trouver la meilleure adéquation entre le matériau à utiliser et la géométrie des pièces considérées, puis de valider le tout numériquement. De même, d'autres travaux utilisant la même méthodologie ont permis de déterminer les efforts appliqués aux sièges lors d'un crash, ainsi que le couplage siège/mannequin pour améliorer la survie des passagers.

Notons que des programmes de recherches sont actuellement en cours pour créer dans Radioss un modèle complet d'hélicoptère permettant d'évaluer la survie des passager en cas de crash. Il sera aussi utilisé pour définir des formes optimums de la structure pour améliorer la résistance aux amerrissages forcés. Des sujets très porteurs, car les clients privés, à l'instar des militaires, deviennent très réceptifs à ce genre de préoccupations, d'autant plus que la simulation permet de leur présenter beaucoup de choses de manière très démonstrative. Enfin, ces modèles complets pourront aussi être des outils d'investigation très efficaces en cas d'incident majeur ou d'accident pour en comprendre les causes.



Modèle d'un siège absorbeur d'énergie équipé d'un dummy virtuel
pour évaluer la survie des occupants en cas de crash


« De tels modèles complets sont intéressants car ils vont nous permettre d'explorer et d'évaluer beaucoup plus rapidement des voies innovantes de conception sans multiplier les essais. De plus, cela sécurisera fortement les études de nouveaux concepts en évitant de dépenser de l'argent dans des voies sans issues », constate Pierre Prudhomme Lacroix. Et de donner un exemple. « Il y a 30 ans, je venais d'arriver dans l'entreprise, nous avons essayé 6 types de trains d'atterrissage en 34 versions différentes pour arriver à un compromis satisfaisant pour l'une de nos machines. Il y a 10 ans, nous avons calculé seulement 2 types de train pour l'EC120 Colibri. Aujourd'hui nous travaillons directement avec le bureau d'études pour définir le meilleur train possible dès les phases amonts de conception ».

Parmi les grands défis du calcul des structures composites pour Eurocopter, notons la notion de gestion des connaissances liées à chaque modèle de calcul et l'obligation de garder la maîtrise des algorithmes en fonction de leurs cas d'application. « Il faut garder à l'esprit qu'avec les matériaux composites si l'on change un élément du matériau lui-même (matière ou dimensions des fibres de renfort, nombre ou orientation des plis...) on est obligé de repartir à zéro depuis sa caractérisation. Plutôt que de gaspiller la puissance de calcul dans de multiples simulations en faisant varier tous les paramètres, il faut donc mettre l'emphase sur le choix judicieux des valeurs des paramètres. Ce n'est pas la machine qui a le cerveau mais l'homme qui est devant », conclu Pierre Prudhomme Lacroix.

A la semaine prochaine.

Pour en savoir plus : http://www.eurocopter.com & http://www.mecalog-group.fr

Jean-François Prevéraud, journaliste à Industrie & Technologies et l'Usine Nouvelle, suit depuis plus de 24 ans l'informatique industrielle et plus particulièrement les applications destinées au monde de la conception (CFAO, GDT, Calcul/Simulation, PLM...). Il a été à l'origine de la lettre bimensuelle Systèmes d'Informations Technologiques, qui a été intégrée à cette lettre Web hebdomadaire, dont il est maintenant le rédacteur en chef.



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