Qu'est-ce que la multiphysique ?

Dans la vie réelle, les phénomènes physiques ne se produisent pas un à un. Les forces fluides, structurelles, thermiques et électromagnétiques interagissent constamment. C'est à la rencontre de ces domaines que se produisent des phénomènes tels que le transfert de chaleur, la déformation et le transport de masse.

La multiphysique est l'analyse des interactions complexes entre les forces physiques par le biais de simulations informatiques. En réunissant des solveurs physiques individuels dans un cadre de calcul unique, les chaînes de simulation multiphysiques aident les ingénieurs à modéliser avec précision le comportement d'un système entier, tel qu'il se manifeste dans le monde réel, simultanément.

Les modèles multiphysiques comblent les lacunes là où les analyses physiques uniques sont insuffisantes. 

Lorsque plusieurs types de physiques sont en interaction (comme les fluides et les structures, ou les structures et l'électromagnétique), on les considère comme étant « couplés ». Ces interactions se produisent tout autour de nous en permanence, que ce soit en touchant les écrans de nos téléphones ou en conduisant nos voitures sur des routes cahoteuses. Des exemples courants de couplages multiphysiques incluent :

Interaction fluide-structure (FSI) :

Sécurité des avions : Modélisation de la manière dont l'écoulement de l'air (dynamique des fluides) affecte la déformation et l'absorption des chocs (mécanique des structures) des trains d'atterrissage

Couplage thermo-optique :

Affichages tête haute : Modélisation de la façon dont les températures extérieures (effets thermiques) affectent la clarté des images projetées dans les véhicules (optique)

Couplage structurel-acoustique :

Bruit de la route : Modélisation de la rétroaction auditive (acoustique) des véhicules causée par le frottement du pneu à la surface (mécanique structurelle)

Couplage électromagnétique-thermique :

Production d'énergie : Modélisation de la manière dont les champs d'énergie d'un moteur (électromagnétique) produisent de la chaleur (dynamique thermique) pour optimiser les échangeurs de chaleur et les ventilateurs.

Les problèmes d'ingénierie nécessitant une analyse multiphysique peuvent être résolus avec différents niveaux de couplage.

Si le problème physique implique un couplage faible entre les physiques ; par exemple, quand les forces de fluide entraînent une contrainte structurelle sans déformation significative de la structure ; il est possible de le résoudre avec une analyse couplée unidirectionnelle.

Si le couplage est fort ; par exemple, lorsque la structure présente une grande déformation et influence le flux ; nous devons recourir à une solution couplée bidirectionnelle.

Dans tous les secteurs, les ingénieurs s'appuient sur des solutions multiphysiques pour identifier les problèmes dès le début du processus de conception, prendre des décisions éclairées sur les optimisations et garantir la sécurité et les performances de leurs produits finaux. Les entreprises doivent être capables de prédire avec précision comment des produits complexes se comporteront dans des environnements réels où plusieurs types de physiques couplées interagissent.

Aérospatial : Analyse de l'interaction fluide-structure pour déterminer le poids, la forme et la structure optimaux des ailes d'avion

Automobile : Simulation de l'expansion thermique et des déformations dans les phares pour prédire la performance optique 

Santé : Modélisation des interactions entre les tissus humains et les structures de dispositifs médicaux tels que les implants et les stents

Industriel : Réduction de l'usure des moteurs en identifiant les sources de vibrations grâce à l'analyse magnétique, structurelle et acoustique

Les simulations multiphysiques permettent de modéliser des interactions complexes et simultanées entre plusieurs domaines physiques qui ne peuvent pas être facilement étudiées expérimentalement en raison de contraintes de coût, de temps ou de sécurité. Ces simulations permettent de mieux comprendre les performances des produits en communiquant et en traduisant les données entre les disciplines d'ingénierie.

Les progrès récents en matière de capacité informatique, des solveurs plus rapides et plus robustes et des méthodes améliorées de création de flux de travail ont accéléré le passage des simulations monophysiques aux simulations multiphysiques complètes. Cette évolution permet aux ingénieurs de mieux prédire comment leurs conceptions fonctionneront dans le monde réel.

Avantages de la simulation multiphysique

Modélisation réaliste : Capturez avec précision des scénarios réels où plusieurs domaines physiques interagissent simultanément

Analyse au niveau du système : Découvrez comment les couplages physiques influencent les performances globales du système

Gain de temps : Analysez des systèmes entiers en même temps, plutôt que de manière isolée par domaine

Défis de la simulation multiphysique

Congruence des données : Les différents domaines physiques présentent des échelles de temps, des échelles d'espace et des résolutions de maillage variées

Expertise de l'utilisateur : L'interprétation des simulations multiphysiques requiert des compétences provenant d'experts de divers domaines

Coût de calcul : L'intensité de traitement des simulations multiphysiques nécessite des ressources et un temps importants

En général, les solveurs uniques se concentrent sur des domaines physiques spécifiques tels que la mécanique des structures, la dynamique des fluides ou l'électromagnétique. Mais certains incluent des modèles multiphysiques autonomes. Par exemple, en plus de traiter la dynamique des fluides, le logiciel de simulation des fluides Ansys Fluent® peut aussi modéliser l'acoustique, le mouvement, le transfert de chaleur dans les solides et la contrainte thermique. Les solveurs uniques dotés de fonctionnalités multiphysiques sont utiles pour analyser les couplages lorsque les modèles partagent la géométrie, les maillages et les paramètres.

Mais à mesure que la complexité des produits augmente, les simulations physiques uniques risquent de ne plus suffire.

C'est là que la cosimulation devient essentielle. En connectant des solveurs spécialisés, les interactions complexes entre différents phénomènes physiques peuvent être capturées avec une plus grande précision. Des outils tels que le logiciel de connexion des solveurs physiques Ansys System Coupling™ intègrent tous les solveurs majeurs dans une interface unique. Cela signifie que les ingénieurs peuvent facilement créer des modèles interdomaines haute-fidélité au sein d'un environnement d'ingénierie unique et unifié.

Multiphysique d'un solveur unique : Effectue une analyse interdomaines au sein d'un solveur pour un ensemble spécifique d'équations physiques couplées. Fournit une configuration simple dans laquelle les interactions sont étroitement couplées.

Multiphysique du couplage d'un système : Coordonne et échange des données entre des solveurs spécialisés dans un même cadre de calcul. Offre une plus grande flexibilité dans la modélisation de situations complexes nécessitant la coordination de solveurs indépendants pour capturer les interactions entre les modèles physiques.

Il existe plusieurs tendances en matière de développement de produits qui alimentent le besoin d'une meilleure application de la modélisation multiphysique, notamment la durabilité et l'augmentation de la densité de puissance dans les puces et les circuits intégrés tridimensionnels (3D-IC). Alors que les entreprises innovent pour augmenter la puissance tout en réduisant le gaspillage, l'analyse multiphysique fournira les perspectives globales nécessaires pour comprendre pleinement les interactions entre les phénomènes physiques dans les conceptions.

Ressources connexes