Construction Navale

Reportage

Hydrodynamique : Bureau Veritas s’allie à Centrale Nantes sur la simulation numérique

L’Ecole Centrale de Nantes et le Bureau Veritas ont annoncé la création d’une Chaire internationale de recherche en hydrodynamique et structures marines. Objectif : accroître significativement la sécurité et les performances - notamment énergétiques - des navires et installations en mer. Cela, en s’appuyant sur le développement d’outils de simulation numérique plus performants grâce à la puissance du nouveau supercalculateur dont vient de se doter l’ECN.

L’enjeu est simple. Que ce soit pour des navires civils ou des bâtiments militaires, l’offshore ou les énergies marines, l’hydrodynamique et les interactions hydro-structurelles ont un impact direct sur l’efficience et la sécurité des systèmes marins. Ceux-ci doivent, dans le même temps, répondre à des normes et certifications de plus en plus précises et complexes. C’est pourquoi le développement d’outils numériques à la précision accrue constitue un atout majeur pour une société de classification comme le BV.

 

(© BV)

 

10.000 navires classés

Car ce dernier pourra les utiliser afin de réaliser des approbations spécifiques, élaborer de nouvelles normes ou encore proposer des services permettant d’évaluer ou d’optimiser des navires et structures marines. « Depuis 1828, le métier historique du Bureau Veritas est de publier des règlements techniques, vérifier que la conception des navires est conforme à ces règlements et vérifier que ce qui a été prescrit est appliqué dans les chantiers navals. Puis, une fois les navires en service, des contrôles réguliers permettent de s’assurer qu’ils sont toujours conformes », rappelle Philippe Donche-Gay, président de la division Marine et Offshore du BV. S’appuyant sur un réseau de 2600 experts à travers le monde, la société française classe aujourd’hui plus de 10.000 navires (110 millions de GT), ce qui en fait la seconde en nombre de bateaux et la cinquième en tonnage. « Le métier de la classification de navires est très technique et suppose des investissements importants en R&D afin d’avoir les compétences requises et les outils nécessaires pour vérifier que les navires sont conformes ».

Gigantisme

Avec un secteur marqué notamment par une course au gigantisme, à l’instar des porte-conteneurs, pour lesquels plusieurs armements vont franchir le cap des unités de plus de 400 mètres et 20.000 EVP de capacité. Des géants soumis à d’énormes contraintes en mer et qui nécessitent donc de lourdes études afin de s’assurer qu’ils répondent aux normes de sécurité et de respect de l’environnement. Le cas du MOL Comfort, qui s’est brisé en deux en océan Indien en juin 2013, est venu rappeler la nécessité de connaitre le plus précisément possible les efforts subis par les navires, la capacité de résistance ainsi que le vieillissement des structures pour éviter les accidents de ce type.

 

Le MOL Comfort brisé en deux en 2013 (© DR)

 

Economies d’énergie et réduction des émissions polluantes

L’autre tendance lourde observée ces dernières années dans le secteur maritime réside dans les économies d’énergie. Même si la question des frais de soute est moins prégnante aujourd’hui compte tenu de la chute du prix du pétrole, les armateurs savent que ce contexte favorable n’est pas durable et misent toujours sur l’efficience énergétique. D’autant que les contraintes environnementales, comme les émissions de CO2, seront amenées à se renforcer. « Nous avons dans ce cadre vu émerger le besoin d’outils numériques beaucoup plus puissants pour réaliser des simulations en grand nombre et tester de multiples designs afin de trouver celui qui est le plus efficient ». C’est sur cette question que le BV et Hydrocean, société spécialisée dans l’hydrodynamique créée à Centrale Nantes il y a huit ans, ont commencé à travailler ensemble. Ils ont, ainsi, optimisé en simulation numérique de nouveaux bulbes pour des porte-conteneurs de CMA CGM qui avaient besoin de voir leur efficience énergétique améliorée suite au passage au slow steaming (vitesse significativement réduite par rapport aux allures commerciales prévues au moment de la conception des bateaux).

Ne pas se laisser distancer par d’autres grandes sociétés de classification

Toutefois, en matière de partenariat avec des centres de recherche et d’utilisation de modèles numériques, la grande société de classification française se devait d’affermir sa position, et ne pas se laisser distancer par les Norvégiens, les Allemands, les Néerlandais ou encore les Japonais. Ces derniers, à l’image du DNV, ont compris très tôt l’intérêt d’intégrer des outils de simulation virtuelle pour répondre rapidement et avec certitude aux besoins de leurs clients, ce qui leur a aussi permis de développer de nouveaux services et d’assurer leur croissance. DNV a par exemple racheté en mars 2014 NAPA, un des leaders dans les logiciels de conception marine.

Maquettes numériques avec Dassault Systèmes

Face à cette situation, qui commençait à devenir problématique, le BV a donc décidé de réagir et d’entrer de plein pied dans ces technologies. C’est le cas, en matière de plans numériques et de gestion du cycle de vie, avec l’adoption de la plateforme 3DEXPERIENCE de Dassault Systèmes. Cet outil de CAO va permettre au BV de disposer de maquettes complètes de navires et, pour chaque partie, d’enrichir les données initiales avec les résultats des inspections, par exemple l’évolution des épaisseurs de coque au fil des ans. Pour Philippe Donche-Gay : « Cela nous permettra de suivre l’évolution des structures et, par exemple, de réaliser des essais pour voir si les limites sont atteintes. C’est un outil qui sera également très intéressant dans l’offshore, où l’on constate souvent des changements de gros équipements ». 

 

Simulation d'impact de houle  (© HYDROCEAN)

 

Utilisation pour la simulation numérique

Comportement à la mer, consommation, conséquences d’un refit, surveillance du vieillissement… ces modèles 3D sont aussi utilisés pour la recherche hydrodynamique, sur laquelle le Bureau Veritas a choisi de se développer. D’abord avec la reprise en septembre 2015 des activités services d’HydrOcean, puis via le partenariat noué avec l’ECN. « Avec les contraintes environnementales et financières, il est dans l’intérêt des armateurs et des chantiers de tester différents design et ils attendent de leur certificateur de répondre à cette demande pour faire leur choix. Le but est de répondre plus rapidement. Les armateurs peuvent être prescripteurs, comme on l’a vu avec le retrofit des bulbes chez CMA CGM, mais les chantiers sont la première cible », souligne Philippe Donche-Gay, qui affirme toutefois que le Bureau Veritas n’a pas, comme par exemple DNV, l’intention de développer ses propres design pour les proposer ensuite à ses clients. Ces initiatives françaises sont réalisées en collaboration avec l’armateur et le chantier, dans une démarche collaborative.

 

Ecoulement sur le bulbe  (© HYDROCEAN)

 

Vers une offre globale de services

Pour le patron de la division Marine et Offshore du BV, la nouvelle Chaire créé avec Centrale Nantes est cruciale « car nos concurrents bénéficient d’un écosystème très fort et il était dommage qu’en France, nous ne tirions pas parti des capacités d’ingénierie dont nous disposons ». Les collaborations qui viennent d’être mises en place doivent permettre au BV d’enrichir ses compétences et, ainsi, de disposer d’une offre globale de services pour rester dans la course. « En plus de la certification de la classification, le métier du Bureau Veritas évolue vers l’expertise, les services et l’accompagnement des clients durant tout le cycle de vie des navires et structures marines », précise Erwan Jacquin.

 

Erwan Jacquin  (© ECN)

 

La rencontre avec Hydrocean

Ancien de l’ECN, cet ingénieur a créé HydrOcean avec son Ecole en 2007. Une start-up axée sur les études en hydrodynamique qui a créé des logiciels spécialisés et s’est rapidement développée. Il y a deux ans, la jeune société a commencé à collaborer avec Bureau Veritas, dont le réseau international lui a permis d’étendre ses activités en Chine, à Singapour, en Amérique latine et bientôt aux Etats-Unis. Réalisant un chiffre d’affaires de l’ordre de 3 millions d’euros, HydrOcean emploie 20 ingénieurs, pour moitié docteurs. Que ce soit dans le maritime, le naval, l’offshore ou les énergies marines, l’entreprise apporte une aide à la conception, à l’optimisation et à la prévention des risques, qui peuvent être appréhendés par la simulation numérique. C’est cette partie « services » que le BV a repris l’an dernier, l’activité de création de logiciels (but original d’HydrOcean à son lancement) étant transférée dans une nouvelle société, Nextflow Software, détenue par Erwan Jacquin et l’ECN. « Cette nouvelle entité vise à développer et industrialiser des codes de calcul pour les besoins de la simulation numérique dans le domaine maritime, mais aussi l’aérospatiale et l’automobile, où nous commençons à nous développer. C’est un métier très spécifique, complémentaire de l’offre de service proposée par HydrOcean. ».

 

(© HYDROCEAN)

 

7.5 millions d’euros en 10 ans

Nextflow Software, tout comme HydrOcean, sont bien entendu associés à la nouvelle Chaire créée par le BV et l’ECN. Dotée de 7.5 millions d’euros sur 10 ans, alloués pour l’essentiel aux salaires des équipes impliquées (autour d’une dizaine d’ingénieurs et chercheurs par an), cette Chaire, rattachée au Laboratoire de recherche en Hydrodynamique, Energétique et Environnement Atmosphérique (LHEEA) de Centrale Nantes, sera le creuset d’une dizaine de thèses et de nombreux masters. Et elle constitue surtout une véritable plateforme technologique commune. « L’objectif est de développer de nouveaux outils et répondre à des problématiques cruciales, en termes de sécurité et d’environnement, de performances énergétique. Dans cette optique, les outils de simulation prennent une place de plus en plus importante. Aujourd’hui, on arrive à connaitre précisément la trainée et les performances propulsives des navires par mer calme. C’est en revanche plus difficile en présence de houle, l’interaction entre la mer et le navire posant des problèmes d’échelle en temps et en espace », explique David Le Touzé, professeur à Centrale et directeur de la nouvelle Chaire.

 

Le bassin de houle de Centrale Nantes  (© ECN)

 

Malgré les progrès, les essais en bassin restent d’actualité

En clair, connaitre l’hydrodynamisme d’une coque, sa résistance à l’avancement et en déduire sa consommation par mer calme est une chose parfaitement maîtrisée par la simulation numérique. De même, l’étude des contraintes subies par les structures dans des conditions de mer de faible amplitude est à la portée des modèles numériques. En revanche, par des états de mer complexes et sur des durés longues, sans oublier les problématiques liées aux formes compliquées, la simulation n’est pas encore suffisante, les calculs précis étant trop lourds face à tant de paramètres évolutifs et à l’interaction des forces. L’approche repose aujourd’hui sur des hypothèses simplificatrices et des méthodologies qui fonctionnent mais qui doivent être améliorées. Dès lors, les essais physiques avec des maquettes testées en bassin de houle demeurent incontournables. Cela étant, la technologie progresse et, au fil des ans, les ingénieurs parviennent à développer des logiciels toujours plus performants. « La puissance de calcul évolue de manière extrêmement forte, les codes sont de plus en plus précis et on arrive maintenant à prendre en compte les géométries les plus complexes. Toutefois, dans certains cas identifiés que l’on repousse d’année en année, les modèles numériques ne sont pas suffisamment précis et doivent être validés par des modèles physiques », explique Erwan Jacquin, qui souligne la « complémentarité » de la simulation virtuelle et des moyens d’essais, la première pouvant servir à traiter des problèmes simples ou dégrossir le travail avant la validation finale en bassin avec des maquettes instrumentées. « Nos moyens d’essais évoluent d’ailleurs avec les moyens de calcul. Longtemps, nous avons utilisé un bassin de traction. Aujourd’hui, l’heure est aux bassins de houle, qui permettent de reproduire un environnement complexe et de mesurer les interactions sur les structures », souligne David Le Touzé. Le directeur de la nouvelle Chaire rappelle à ce propos que l’ECN va allonger son bassin de houle d’ici 2020. Passant de 50 à 90 mètres, le nouvel outil, qui sera l’un des plus grands d’Europe, sera doté d’une soufflerie moderne pour simuler les effets du vent et de pompes pour créer des courants. Son extension disposera par ailleurs de profondeurs variables, afin que le bassin serve non seulement au génie océanique, mais aussi à des essais précis sur des structures côtières.

 

David Le Touzé  (© ECN)

 

Repousser les limites grâce au supercalculateur

Si les bassins de houle ont donc encore de beaux jours devant eux, la technologie permettra d’avoir de plus en plus recours aux maquettes virtuelles. C’est comme on l’a vu l’un des grands enjeux de la nouvelle Chaire, qui a pour mission d’étendre les capacités de la simulation numérique. « Nous sommes face à la problématique des vagues à l’échelle de l’océan, que nous simulons de manière statistique. Toutefois, un objet dans ces vagues entraine des interactions très locales, les mouvements d’un navire étant couplés à celui des vagues. Ces phénomènes locaux, on ne peut aujourd’hui les simuler précisément que sur quelques minutes et par mer calme. L’objectif de la Chaire est de développer des outils numériques permettant d’étendre la simulation à plusieurs heures». Pour cela, l’équipe de David Le Touzé va s’appuyer sur le nouveau supercalculateur de l’Ecole Centrale. Flambant neuf, ce méga-ordinateur, fabriqué par l’usine de Bull à Angers, représente un investissement de 2.5 millions d’euros, payé pour moitié par l’Etat et la région des Pays de la Loire, le reste étant autofinancé par l’ECN. Il va compter pas moins de 10.000 cœurs de calcul pour une puissance de 200 Téra-flop. « C’est l’un des 100 plus puissants au monde, l’un des 30 plus puissants en Europe et le troisième en France au niveau régional. Nous sommes en train de le mettre en service. Deux ingénieurs sont chargés de l’administration de la machine et nous disposons d’un laboratoire dédié avec 25 personnes. Ce supercalculateur représente un véritable saut technologique en matière de vitesse de calcul, de résultats et de précision. Il est doté de cartes graphiques qui permettent de visualiser les résultats à distance via un accès Internet et de pouvoir, ainsi, les exploiter directement », explique Thierry Coupez, directeur de l’Institut du Calcul Intensif à l’ECN.

 

Le supercalculateur de Centrales Nantes  (© MER ET MARINE - VINCENT GROIZELEAU)

Le supercalculateur de Centrales Nantes  (© MER ET MARINE - VINCENT GROIZELEAU)

 

Un challenge technologique pour des enjeux colossaux

Pour améliorer la fiabilité des calculs et développer des logiciels plus performants, les ingénieurs misent beaucoup sur ce supercalculateur. « Nous allons développer des outils numériques capables de fonctionner sur cette machine, et d’en exploiter pleinement la puissance. Cela nécessite de développer de nouveaux codes de calculs, axés sur le calcul parallèle. Nous travaillons aussi sur des approches hybrides, permettant le couplage de plusieurs codes de calculs, permettant de résoudre le problème des différentes échelles de temps et d’espace que nous devons résoudre », précise David Le Touzé. En tout, 10 millions d’heures de calcul seront alloués aux études de la Chaire. « Nous allons acquérir beaucoup de connaissances que nous pourrons diffuser, permettre au Bureau Veritas de développer des règlements plus adaptés aux besoins, tout en répondant aux demandes de ses clients, sachant que les challenges techniques et les enjeux économiques comme environnementaux sont colossaux ». Alors que la modélisation est désormais incontournable en matière d’interactions hydro-structurelles pour atteindre une meilleure efficience énergétique, les modèles numériques doivent aussi permettre de renforcer la connaissance en termes de sécurité. En clair, déterminer en fonction des états de mer le comportement des bateaux et des structures, tout en prédisant leur fatigue et la résistance des matériaux. « La construction navale s’appuie sur d’importants calculs d’ingénierie, par exemple sur la poutre navire. Nous partons donc d’une base de conception saine. La simulation va permettre d’aller chercher les cas les plus extrêmes et des phénomènes spécifiques, comme la résonance. Pour cela, on peut modéliser des parties du navire de manière très fine et précise, afin de déterminer à partir de quelle limite on constate des problèmes de déformation et de cassure », détaille Philippe Donche-Gay.

Développer des logiciels de routage plus précis

Une autre application des nouveaux outils numériques développés à Nantes consistera à améliorer l’optimisation des routes commerciales empruntées par les navires. Déjà, les grands armateurs disposent de centres de contrôle, ou font appel à des services privés, afin de compiler les données météorologiques et marines pour faire connaitre aux commandants les meilleures routes à suivre, tant en termes de sécurité que de consommation. Selon David Le Touzé :  « Les logiciels de routage ont besoin, en plus des données météo et océanographiques, de disposer du comportement précis du navire dans l’environnement à travers lequel évolue. Cela suppose de maîtriser les phénomènes hydrodynamiques pour connaitre les performances du navire ou encore le roulis paramétrique, les zones où le roulis est important engendrant par exemple des risques de pertes de conteneurs. Grâce au développement de la simulation numérique, l’objectif est de disposer de modèles plus précis et conformes à la réalité qui serviront pour améliorer l’exploitation des navires».

La nouvelle Chaire a donc des visées académiques mais aussi économiques et industrielles, et pas seulement avec le BV. « Nous avons des partenaires historiques, comme CMA CGM, DCNS, STX France, Alstom, l’IRT Jules Verne ... Des workshops sont prévus pour diffuser les résultats de la Chaire et recueillir les besoins des industriels et, à partir de ce programme de recherche, développer de nouveaux projets »,  explique Erwan Jacquin.

 

David Le Touzé, Arnaud Poitou, Philippe Donche-Gay et Erwan Jacquin  (© MER ET MARINE - VG)

 

Un bel exemple de partenariat public-privé

C’est d’ailleurs typiquement ce qui s’est passé avec l’aventure HydrOcean, qui a abouti à un modèle très vertueux de partenariat public-privé. « La création de cette Chaire est très importante et illustre parfaitement ce qui fait le succès de l’Ecole Centrale de Nantes et permet aux entreprises partenaires d’acquérir des gains de compétitivité. La boucle est bouclée puisque l’histoire part d’un développement de recherche au sein de l’Ecole, valorisé par la création d’une entreprise, HydrOcean, qui croît et rencontre des interactions très actives avec le Bureau Veritas. Au point que celui-ci décide d’en acquérir une partie puis de lancer un nouveau projet d’envergure avec l’Ecole, amplifiant ainsi la dynamique de partenariat », se félicite Arnaud Poitou, directeur de l’ECN. Centrale Nantes compte désormais pas moins de 14 Chaires et, avec plus de 20 millions d’euros signés en partenariats de recherche, est devenue la première école d’ingénieurs française en montants investis. « Le principe de la Chaire est exceptionnel car il permet aux chercheurs d’avoir des financements mais aussi de travailler sur des objets de recherche concrets. Et pour nos étudiants de savoir pourquoi ces études sont menées et quelle est leur traduction scientifique. Que ce soit en hydrodynamique, en génie civil ou encore en énergétique moteur, ce modèle fait vraiment écho auprès des entreprises qui ont compris qu’elles pouvaient travailler avec nous de manière opérationnelle et que Centrale, c’est de la science, mais c’est aussi une plateforme technologique ».