Jumeau numérique et modélisation mécanique
d'un système mécanique historique

PROPOSITION DE SUJET DE STAGE DE MASTER
FEVRIER 2022 – SEPTEMBRE 2022

Mots clés :

Modélisation numérique par éléments finis, jumeau numérique, environnement immersif, modèles réduits, surfaces de réponses, méta-modèles, calcul intensif

Sujet :

L'étude des matériels techniques historiques est souvent rendu difficile pour plusieurs raisons. Ces matériels peuvent être uniques, non fonctionnels car détériorés ou incomplets, fonctionnels mais fragiles ce qui rend leurs manipulations délicates, même de façon occasionnelle. Pour pouvoir remettre ces matériels en situation dans leur environnement d'origine, il faudrait construire une copie conforme, en complétant les parties manquantes à partir d'hypothèses. Ces approches sont utilisées, mais restent couteuses en moyens humains et financiers, et une seule (rarement plusieurs) configuration des parties manquantes peut être testée.

Les progrès récents en matière de visualisation tridimensionnelle (interface immersive) permettent actuellement d'envisager des reconstructions virtuelles de ces objets techniques, de les placer dans leur environnement et de pouvoir interagir avec eux. Un jumeau numérique, par exemple celui de l'avion de Blériot présent au musée des Arts et Métiers, permet alors l'étude dans son environnement du matériel pour en comprendre le fonctionnement, les évolutions techniques et l'interaction avec les utilisateurs (Figure 1). De plus, il peut servir de support pédagogique auprès du grand public en visite au musée des Arts et Métiers, qui peut alors manipuler l'avion, voire voler avec. Enfin, le jumeau numérique est aussi un moyen de sauvegarde du patrimoine.

En lien avec le musée des Arts et Métiers et le Laboratoire Histoire des Techno-Sciences en Société du CNAM, ce stage, effectué au Laboratoire de Mécanique des Structures et des Systèmes Couplés, se concentre dans un premier temps sur la modélisation du système mécanique de l'avion vu comme un assemblage cinématique de solides rigides et son interaction avec l'utilisateur dans l'environnement immersif. Par exemple, on peut citer l'interaction entre un utilisateur et le système des commandes de vol de l'avion : le mouvement du manche engendre les déplacements et rotations de tous les éléments constitutifs de la chaine jusqu'au braquage des gouvernes.

Dans un second temps, le travail portera sur la modélisation et la représentation (champ de contrainte, de déplacement ...) du comportement mécanique de pièces flexibles dans l'environnement immersif, en se limitant ici à un modèle élastique linéaire et une unique sollicitation quasi-statique possible en un point prédéfini de la pièce. Par exemple, l'étude pourra plus particulièrement porter sur la flexibilité de l'aile, la modélisation mécanique de la toile tendue étant une des difficultés de cette partie.

Enfin, l'étude combinera les deux premiers points pour être en mesure de rendre compte du système de commande de roulis de l'avion en temps réel : l'aile souple se déforme sous l'action de câbles reliés au manche du pilote. Le candidat devra mettre en place des méthodes numériques permettant, à terme, du calcul en temps réel en statique et dynamique (modèles réduits, surfaces de réponses, méta-modèles, calcul intensif, réseau de neurones...) mais aussi développer les moyens d'interagir avec le modèle numérique (interactions personnes-machines).

Figure 1 : Avion XI de Blériot (Musée des arts et métiers) et intégration de la CAO dans un environnement immersif de réalité virtuelle (source de la CAO : GrabCAD)

Poursuite en thèse :

Ce stage pourra déboucher sur un financement de thèse au LMSSC pour continuer et approfondir ce travail avec les mêmes partenaires et le même encadrement.

Profil de candidat(e) recherché :

  • Master 2/PFE (ou équivalent) en mécanique des structures avec une forte composante numérique
  • Goût prononcé pour les méthodes numériques et leur implémentation

Encadrement et personnes à contacter au LMSSC :

Antoine Legay (PU, CNAM, LMSSC) - antoine.legay@lecnam.net
Luc Laurent (MCF, CNAM, LMSSC) - luc.laurent@lecnam.net

En lien avec :

Musée des Arts et Métiers
Laboratoire Histoire des Techno-Sciences en Société [EA 3716]

Lieu :

Conservatoire National des Arts et Métiers, 2 rue conté, 75003 PARIS
Laboratoire de Mécanique des Structures et des Systèmes Couplés [EA3196]