La modélisation multiphysique et les applications de simulation autonomes comme vecteurs d’innovation

La modélisation et la simulation multiphysique permettent aux entreprises d’innover plus vite, plus efficacement et de façon plus rentable. L’intégration du logiciel COMSOL Multiphysics^® dans les processus de R&D permet aux équipes d’ingénieurs de construire des modèles précis de prototypes, de dispositifs et de procédés réels, ainsi que de créer leurs propres applications de simulation autonomes pour étendre les bénéfices de la modélisation multiphysique au plus grand nombre d’équipes, de départements et de clients. Cela contribue finalement à une meilleure compréhension du comportement des produits et à une plus grande réactivité durant le cycle de développement.

Le lancement de la version 6.4 de COMSOL Multiphysics^® rend le logiciel encore plus performant avec des simulations plus rapides pour l’ensemble des physiques grâce à des solveurs bénéficiant de l’accélération GPU, un nouveau produit pour simuler le mouvement de particules solides dans des procédés de vrac, et un nouveau cadre de travail pour la dynamique explicite en mécanique des structures.

Pourquoi la multiphysique?

Un modèle est une représentation du monde réel, monde réel qui est par nature multiphysique. Autrement dit, il est essentiel de pouvoir coupler fortement plusieurs phénomènes physiques pour générer des simulations numériques qui reflètent fidèlement la réalité.

Prenons l’exemple d’un haut-parleur. Nous pourrions mesurer uniquement le champ magnétique de la bobine mobile dans un modèle monophysique, mais il peut être plus intéressant d’étudier également comment le champ magnétique interagit avec les autres composants du haut-parleur pour engendrer des efforts et des vibrations. En utilisant COMSOL Multiphysics^®, il est facile d’ajouter et de coupler le nombre de phénomènes physiques nécessaires pour obtenir un modèle réaliste. Dans le cas d’un haut-parleur, nous couplerions alors l’électromagnétisme, la mécanique des structures et l’acoustique pour mener une analyse complète. Il n’y a aucune limite quant à la nature ou au nombre de phénomènes qui peuvent être couplés dans vos modèles COMSOL.

À gauche: un modèle de haut-parleur monophysique représentant la force électromagnétique agissant sur la bobine mobile. À droite: Un modèle multiphysique qui tient également compte de l’interaction acoustique–structure.

Ceci étant dit, le logiciel COMSOL Multiphysics^® est une plateforme de modélisation et de simulation qui offre à la fois des capacités de modélisation multiphysique entièrement couplées et des capacités de modélisation monophysique. Ceci permet aux ingénieurs et aux scientifiques de différentes industries et disciplines de l’ingénierie d’utiliser un seul logiciel de modélisation avec une interface utilisateur commune à tous les types de modèles. En bref, la modélisation multiphysique aide les entreprises à prendre des décisions de conception plus éclairées, à générer de nouvelles idées, à réduire les coûts de prototypage et d’expérimentation, et à accélérer le développement des produits.

Puisque les modèles sont la représentation d’objets réels, ils doivent obéir aux lois de la physique, mais leur apparence a également son importance. En ajoutant la texture et les couleurs adéquates, ainsi qu’un éclairage bien pensé, il devient plus facile de visualiser le modèle comme l’objet réel qu’il représente et de comprendre le processus sous-jacent. Selon le type d’analyse que vous effectuez, le choix du type de graphique ou de la palette de couleurs peut également influencer la manière dont vous interprétez les résultats. La plateforme logicielle COMSOL Multiphysics^® intègre des outils permettant de construire des géométries, d’assigner des matériaux et de réaliser des maillages, ainsi qu’un grand nombre de fonctionnalités de visualisation.

Aperçu du logiciel de modélisation et de simulation COMSOL^®

Le processus de R&D basé sur la simulation est plus performant lorsque les équipes, de tous les départements, organisations et entreprises, ont accès et contribuent à la création de modèles précis utilisables à des fins d’innovation, de conception et d’optimisation. Pour ce faire, la plateforme COMSOL Multiphysics^® comprend trois environnements de travail principaux:

• Le Constructeur de modèles
  • Contient toutes les fonctionnalités dont les spécialistes de la modélisation et de la simulation ont besoin pour construire, résoudre, visualiser et évaluer les résultats de leurs modèles physiques.
• Le Constructeur d’applications
  • Fournit aux spécialistes de la modélisation des outils conviviaux pour créer des applications de simulation personnalisées à l’usage de leurs collègues et de leurs clients.
• Le Gestionnaire de modèles
  • Fournit un espace de travail structuré pour organiser les modèles et les applications, avec contrôle des versions, fonctionnalité de recherche et de filtrage et stockage optimisé des données, ainsi qu’une fonctionnalité permettant de copier des séquences d’opérations d’un modèle pour les réutiliser dans un autre.

À gauche: le Constructeur de modèles montre la configuration et les résultats du modèle multiphysique d’un module IGBT. Au centre: Le Constructeur d’applications tel qu’il apparaît lors de la création d’une application de simulation. À droite: Le Gestionnaire de modèles, illustrant la fonction permettant de comparer deux modèles.

Un seul environnement logiciel, quel que soit le domaine d’ingénierie

Selon le travail à effectuer, vous souhaiterez peut-être étendre les fonctionnalités de modélisation incluses par défaut en y ajoutant des fonctions spécialisées. Il existe plusieurs modules complémentaires qui contiennent des fonctionnalités spécifiques pour l’électromagnétisme, la mécanique des structures, l’acoustique, les écoulements de fluides, le transfert de chaleur et le génie chimique. Le logiciel COMSOL^® étant un logiciel multiphysique, tous les éléments de la suite de produits se connectent de manière transparente à travers la plateforme de modélisation. En outre, vous pouvez facilement l’interfacer avec des logiciels de CAO et d’autres logiciels tiers via les produits LiveLink™.

Conseil: découvrez comment les organisations du monde entier utilisent COMSOL Multiphysics^® dans la rubrique Cas utilisateurs.

Les applications de simulation autonomes accélèrent l’innovation

Toute personne disposant d’une licence logicielle COMSOL Multiphysics^® peut créer et éditer ses propres applications de simulation. Tous ceux qui ajoutent COMSOL Compiler™ peuvent transformer leurs applications en fichiers exécutables autonomes qui peuvent être distribués à n’importe qui et exécutés partout dans le monde. Grâce à des applications autonomes, les collègues des spécialistes en modélisation peuvent tester des variantes de conception sans que ces derniers n’aient à intervenir. Même les personnes les plus éloignées de ces spécialistes peuvent utiliser des applications pour prédire des résultats à partir de données d’entrée spécifiques et prendre des décisions basées sur les résultats de la simulation sans savoir comment configurer et exécuter le modèle sous-jacent (ou dans certains cas sans même savoir qu’ils utilisent la simulation multiphysique).

La possibilité de glisser-déposer des composants et des widgets de l’interface utilisateur dans le Constructeur d’applications facilite la création d’applications dotées d’interfaces personnalisées avec des entrées et des sorties répondant à un besoin spécifique — offrant à l’utilisateur de l’application tous les avantages de la simulation sans avoir à construire le modèle sous-jacent. Un simple clic suffit pour compiler et rendre ces applications autonomes et c’est à vous de décider si vous voulez les vendre ou les fournir gratuitement, ajouter une protection par mot de passe ou les partager sans restriction, fixer une date d’expiration, et ainsi de suite. Lorsque vous créez vos propres applications autonomes avec le logiciel COMSOL^®, vous contrôlez totalement le nombre d’applications que vous créez, à qui vous les distribuez et comment.

Certaines organisations préfèrent toutefois garder un contrôle total quant aux personnes qui ont accès à leurs applications de simulation et aux versions disponibles de ces applications. Dans ce cas, elles peuvent télécharger, gérer et exécuter leurs applications dans leur propre environnement COMSOL Server™ au lieu de les compiler sous forme d’applications autonomes. COMSOL Server™ est livré avec des outils d’administration pour gérer l’accès des utilisateurs aux applications, les comptes et groupes d’utilisateurs et l’utilisation des ressources de calcul.

Créer des applications de simulation ultra rapides à l’aide de modèles de substitution

Le Constructeur d’applications dans COMSOL Multiphysics^®, au même titre que le produit complémentaire COMSOL Compiler™, existe depuis de nombreuses années. Puis, en 2023, nous avons rendu possible la création d’applications ultra rapides avec le lancement d’une fonctionnalité permettant d’entraîner des modèles de substitution par apprentissage automatique. Lorsque vous intégrez dans vos applications de simulation des modèles de substitution basés sur des données, les utilisateurs de ces applications obtiennent quasi instantanément des résultats de simulation basés sur leurs données d’entrée. En effet, les modèles de substitution sont entraînés pour approximer le comportement des modèles éléments finis complets, plus coûteux en termes de calcul, sans pour autant perdre en précision. La version 6.3 du logiciel a introduit la possibilité de créer rapidement des modèles de substitution avec la prise en charge de leur entraînement sur GPU ainsi que d’utiliser des modèles de substitution avec des applications liées à des capteurs, bases de données et services web externes. Avec ces mises à jour, les utilisateurs peuvent construire et exécuter des applications comme des jumeaux numériques efficaces.

Avec le lancement de la version 6.4 de COMSOL Multiphysics^® , les utilisateurs peuvent désormais exporter les paramètres de réseau pour les modèles de substitution basés sur des réseaux de neurones profonds (DNN), et lancer des calculs batch et cluster pour la génération de données d’apprentissage des modèles de substitution, ce qui permet un calcul parallèle efficace pour les grands jeux de données d’entraînement.

Plus de nouveautés dans la dernière version de COMSOL Multiphysics^®

La nouvelle version de COMSOL Multiphysics^® introduit l’accélération GPU pour l’ensemble des physiques, la dynamique explicite en mécanique des structures, un nouveau produit pour les écoulements granulaires, et de nombreuses nouvelles fonctionnalités dans l’ensemble de la suite produit pour fournir aux utilisateurs des capacités de modélisation encore meilleures.

Personne n’aime attendre, tout particulièrement lorsque l’on parle d’obtenir les résultats d’un modèle. Nos développeurs travaillent en permanence à l’amélioration de la vitesse des solveurs pour réduire le temps nécessaire à la résolution de différents modèles, tout en maintenant la précision. Avec la diversité d’architectures hardware modernes disponibles, la performance est également étroitement liée à l’exploitation de ces plateformes, incluant les GPU NVIDIA. Dans cet esprit, COMSOL Multiphysics^® propose une diversité de solveurs numériques et de réglages pour simuler une large gamme de designs, dispositifs et procédés sur des CPU et désormais sur des GPU NVIDIA.

Parmi les types de solveurs disponibles dans le logiciel se trouvent les solveurs directs, qui offrent une performance fiable pour des problèmes multiphysiques fortement couplés et qui sont généralement utilisés dans des domaines comme la mécanique des structures.

Dans la version 6.4, la sélection de solveurs directs est étoffée avec le solveur linéaire direct creux (cuDSS) CUDA^® de NVIDIA, qui fournit une prise en charge GPU pour l’ensemble des domaines physiques. cuDSS est un solveur linéaire direct creux bénéficiant de l’accélération GPU, optimisé pour des calculs hybrides CPU–GPU et qui peut être utilisé avec toutes les cartes GPU NVIDIA^® récentes. Disponible pour un seul GPU, ou pour des configurations multi-GPU, cuDSS peut améliorer de façon drastique la rapidité de simulations monophysiques et multiphysiques. Il est particulièrement bénéfique pour des problèmes non linéaires étroitement couplés et pour la modélisation de scénarios dans lesquels les solveurs directs sont d’ores et déjà utilisés. Des benchmarks réalisés avec ce solveur ont montré une accélération d’un facteur 5 voire plus important encore.

Modèle d’impédance de transfert acoustique dans un élément perforé contenant 1.75 million de degrés de liberté résolu avec le nouveau solveur cuDSS.

Dans la version précédente du logiciel, nous avions introduit un solveur accéléré (distinct du nouveau solveur cuDSS) pour l’interface Pression acoustique, explicite en temps dans le module Acoustics. Ce solveur a été le premier à introduire la prise en charge de GPU pour la simulation de pression acoustique transitoire, tirant parti de la librairie CUDA-X (cuBLAS), et a permis aux utilisateurs de travailler sur l’acoustique de pièces et d’habitacles de voiture en obtenant leurs résultats bien plus rapidement qu’auparavant. En version 6.4, ce solveur prend désormais en charge plusieurs GPU sur une seule et même machine, ainsi que des GPU en configuration cluster. Grâce à cet avancée, les simulations d’acoustique de pièces et d’habitacles de voitures tournent encore plus rapidement, et l’échelle des modèles, en termes de longueurs d’onde résolues, peut être augmentée.

Pour démontrer à quel point une simulation de pression acoustique explicite en temps est plus rapide à exécuter avec le support multi-GPU, nous avons réalisé un test en nous appuyant sur notre tutoriel Car Cabin Acoustics — Transient Analysis. Le temps total de calcul et d’analyse des résultats de la première étude du modèle était de 57 minutes en version 6.3; en version 6.4, cette durée a été réduite à 50 minutes en utilisant un seul GPU (NVIDIA^® RTX 6000 Ada). Lorsque la simulation est lancée sur deux cartes GPU, le temps de calcul a été presque réduit de moitié, passant à 29 minutes.

Note: L’interface Pression acoustique, explicite en temps est prise en charge pour tous les types de licence avec l’utilisation d’un seul GPU, mais nécessite une licence flottante pour utiliser plusieurs GPU.

Les simulations d’acoustique en habitacle, telles que celle d’un habitacle de voiture, bénéficient désormais de l’accélération des GPU NVIDIA^® dans la version 6.4 de COMSOL Multiphysics^®, permettant des analyses plus rapides et plus étendues.

Module Granular Flow

Un nouveau module complémentaire à la plateforme COMSOL Multiphysics^® est disponible pour modéliser des procédés granulaires complexes tels que la décharge de trémies, le stockage en silos, le transport par chute, la dispersion de poudre et le mélange. Le module offre des fonctionnalités permettant de résoudre les interactions à l’échelle de la particule telles que les collisions, l’adhérence, la résistance à la rotation, et le transfert de chaleur. Ses fonctionnalités peuvent aider les ingénieurs et chercheurs à obtenir davantage d’informations sur la dynamique particulaire à l’échelle microscopique ainsi que sur le comportement macroscopique.

Les industries dans lesquelles la compréhension du comportement de solides en vrac est d’une importance critique pour des opérations efficaces et fiables, comme les industries pharmaceutiques ou chimiques, l’agriculture, l’exploitation minière ou encore la fabrication additive, trouveront ce module particulièrement important.

Apprenez-en plus sur le Module Granular Flow.

Grains transportés à l’aide d’un convoyeur à vis. Les grains sont colorés en fonction de leur instant d’émission.

Dynamique explicite en mécanique des structures

Pour illustrer une autre des nouveautés majeures introduites en version 6.4, pensez à un téléphone portable. L’écran et les boutons sont des éléments électriques et mécaniques fonctionnant ensemble, tandis que la batterie est soumise à des réactions chimiques impliquant le mouvement d’ions et du courant électrique, parmi d’autres processus. Le logiciel a toujours facilité la simulation de ce type d’interactions, mais il y a un scénario important que les utilisateurs ne pouvaient pas simuler jusqu’à présent.

Avec la dernière version, les utilisateurs peuvent désormais mener des analyses de mécanique des structures en dynamique explicite. Dans le cas du téléphone portable, cette nouvelle fonctionnalité permet aux utilisateurs de tester l’impact d’un test de chute sur ledit téléphone. En faisant cela, il est possible d’identifier les zones du boîtier en aluminium qui pourraient être endommagées du fait de ce test ainsi que de suivre l’évolution de l’endommagement en fonction de la hauteur à laquelle le téléphone est laché. La dynamique explicite est tout aussi importante pour suivre d’autres phénomènes transitoires et fortement non linéaires se produisant à haute vitesse tels que l’impact, l’écrasement, la mise en forme de métaux et la propagation d’ondes élastiques.

Les fonctionnalités de dynamique explicite permettent une nouvelle gamme de simulations dans COMSOL Multiphysics^® version 6.4, incluant les tests de chute d’appareils électroniques grand public portables.

La formulation explicite prend en charge une large gamme de matériaux non linéaires, incluant les modèles suivants:

• Hyperélastique
• Plastique
• Viscoplastique
• Fluage

La fonctionnalité de dynamique explicite peut également être utilisée avec la nouvelle fonctionnalité de modélisation du contact. En version 6.4, il est désormais possible de modéliser du contact mécanique avec une définition automatique des conditions de contact entre un grand nombre d’objets. Cela permet de créer facilement des modèles avec un grand nombre d’interactions de contact potentielles.

Une tour de blocs de bois est frappée par une bille. Dans cette simulation, 56 objets peuvent interagir les uns avec les autres dans des configurations qu’il serait difficile de prédire.

Prochaines étapes

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Si vous souhaitez lire en détail toutes les mises à jour logicielles, consultez les Nouveautés de la version 6.4 de COMSOL Multiphysics^®.

 
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