Fiche de cours

Simuler à partir d'un modèle donné

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Objectifs
  • Connaitre et distinguer les concepts de modèle et de simulation.
  • Savoir à quoi sert une simulation.
  • Catégoriser et comprendre un écart.
Points clés
  • Un modèle est une représentation d'un objet réel ou d'un phénomène physique.
  • Une simulation est la mise en œuvre d'un modèle au cours d'un test.
  • Les simulations servent à effectuer des prévisions ou à choisir des solutions techniques.
  • Une simulation permet de mettre en évidence l'écart mesuré-simulé et l'écart simulé-attendu.
Pour bien comprendre

Savoir ce qu’est un cahier des charges

1. Modélisation et simulation
Un modèle est une représentation d'un objet réel ou d'un phénomène physique.
Remarque
Les modèles sont assez complexes à construire, c’est donc souvent l’enseignant qui vous les fournira. Il vous sera demandé de savoir les analyser, les utiliser et les modifier.

Le visuel d'un modèle peut être utilisé pour décrire un objet lors d'une présentation orale.

Exemple
Une peinture d'une pomme est un modèle de la pomme, une photo de la pomme est un autre modèle de la pomme. En technologie, on rencontrera un modèle 3D d'une voiture, un modèle multi-physique d'une éolienne, etc.
Remarque
En technologie, les modèles sont la plupart du temps réalisés grâce à des logiciels de modélisation, comme par exemple Solidworks pour réaliser des modèles 3D, ou Matlab pour réaliser des modèles multi-physiques.

Un modèle sert principalement à réaliser des simulations.

Simuler, c'est tester un modèle dans des conditions données. Ces conditions sont appelés paramètres de la simulation.
Exemple
Le modèle d'une éolienne peut être utilisé pour simuler son fonctionnement. Les paramètres de la simulation pourront être, par exemple, « vent de 55 km/h » pour une « durée de 1 h ».
Remarque
De nombreux logiciels de modélisation permettent en plus de réaliser des simulations numériques.

Les simulations numériques sont devenues de plus en plus faciles à mettre en œuvre grâce à la puissance de calcul des ordinateurs modernes : plus l'ordinateur est puissant, plus on pourra obtenir rapidement les résultats d'une simulation et plus la simulation pourra être précise.

2. Les rôles d'une simulation
a. Simuler pour faire des prévisions

Les simulations sont très intéressantes pour faire des prévisions sur la manière dont un objet fonctionnera.

Exemples
Prévoir l'autonomie d'une batterie en fonction de son utilisation, prévoir la rapidité d'usure d'une pièce mécanique.

La simulation est notamment intéressante pour tester un objet dans des conditions particulières et repérer d'éventuelles faiblesses.
En particulier :

  • dans des conditions extrêmes, difficilement reproductibles en laboratoire mais que le produit pourra rencontrer ;
    Exemple
    Tester le comportement d'une fusée dans l'espace.
  • dans des conditions de test destructives pour l’objet.
    Exemple
    Tester la résistance d'un avion à un crash.

Une simulation permet d'économiser de l'argent, des ressources et du temps par rapport à des expérimentations sur objet réel.

b. Simuler pour concevoir un produit

Les simulations sont aussi très utiles pour tester un produit qui n'existe pas encore car il est en cours de conception.

Ces simulations permettent de tester et de sélectionner de futures améliorations pour un produit déjà existant. Le rôle de la simulation est alors d’aider à valider des choix technologiques ou à choisir les meilleures idées.

Exemple
Lors d'un projet de construction d'un bâtiment, on souhaite déterminer la meilleure forme pour le toit ou le meilleur emplacement pour les radiateurs. On fera plusieurs simulations, en faisant varier les paramètres « forme du toit » et « position des radiateurs » pour trouver la meilleure option.

Quand on dispose d’un modèle validé et éprouvé, il est facile et rapide de modifier les paramètres d'une simulation afin de tester plusieurs idées et solutions technologiques.

3. Les écarts
a. Écart simulé - attendu

Lors d'un projet, on est souvent amené à comparer :

  • d'une part, les fonctionnalités décrites dans le cahier des charges, c’est-à-dire ce que l'on attend du produit que l'on est en train de concevoir ;
  • d'autre part, les résultats obtenus lors d'une simulation effectuée à partir d'un modèle du produit.

Il peut y avoir une différence plus ou moins importante entre les deux, c'est ce qu'on appelle l'écart entre l'attendu et le simulé.

Si l'écart est négligeable ou si la simulation donne des résultats meilleurs que ceux attendus, on pourra valider les idées et les choix faits lors de la conception du produit. Si l'écart est trop important, il faudra reconcevoir une partie du produit pour l'améliorer.

Remarque
Pour ce genre de simulation, on utilise un modèle qui est déjà validé.
b. Écart simulé - mesuré

Lors d'une expérimentation, on est souvent amené à comparer :

  • d'une part, les résultats d'une expérimentation avec un objet réel et les mesures faites sur cet objet ;
  • d'autre part, les résultats obtenus lors d'une simulation effectuée à partir d'un modèle.

Il peut y avoir une différence plus ou moins importante entre les deux, c'est ce qu'on appelle l'écart entre le mesuré et le simulé.

Si l'écart est négligeable, le modèle sera validé et pourra être utilisé pour bien rendre compte du comportement de l'objet. Dans le cas contraire, le modèle sera invalidé et il faudra l'améliorer.

Un modèle peut être valide dans certaines circonstances mais pas dans d'autres.

Attention
Une différence peut aussi être due à un défaut au niveau :
  • du modèle ou du paramétrage de la simulation ;
  • de l’expérimentation : mauvais protocole expérimental, mauvaise exécution, instrument de mesure inadapté, etc.

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