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Une aile d’avion optimisée rappelle un os d’oiseau

Les algorithmes d’optimisation sont utilisés quotidiennement dans l’industrie automobile et aérospatiale, par exemple pour concevoir des pièces les plus solides et les plus légères possibles. Concrètement, ce type de programme teste différentes formes en essayant de trouver celle qui est optimale par rapport à un ou plusieurs critères donnés, tout en respectant certaines contraintes.

Cette approche a permis de réduire de 20 à 40 % le poids de certains éléments structurels dans les voitures. Mais étendre cette approche à des pièces de grande taille est problématique car ces algorithmes requièrent une grande résolution spatiale et donc une puissance de calcul gigantesque. Mais des chercheurs de l'Université Technique du Danemark ont développé un programme informatique qui permet d’appliquer cette technique d’optimisation à de grandes structures, comme une aile d’avion.

Pour pouvoir effectuer un calcul d’optimisation sur une aile d’avion, comme celle d’un Boeing 777, longue de 27 mètres, ces chercheurs ont optimisé leur programme afin qu’il soit capable de gérer un milliard de voxels (mailles de base). Ils l'ont ensuite fait tourner pendant plusieurs jours sur le supercalculateur Curie du CEA, qui dispose de 8000 processeurs.

L’équipe a utilisé les données publiques de la Nasa qui caractérisent la géométrie extérieure de l’aile et les forces qui s’appliquent sur elle en vol. L’algorithme devait alors optimiser la rigidité en répartissant de la matière à l’intérieur de l’aile, tout en minimisant son poids.

Le résultat obtenu (qui demanderait plus d'un siècle de temps de calcul avec un ordinateur classique) est surprenant. Il révèle des longerons courbés et non droits comme dans les ailes classiques. Par ailleurs, les éléments orthogonaux aux longerons sont quasi inexistants et ceux présents sont également courbés de sorte à résister aux forces de torsion que subit l’aile en vol.

L’arrière de l’aile et son bord d’attaque sont aussi étonnants. L’algorithme d’optimisation y a déposé la matière suivant des microstructures qui rappellent celles des os d’oiseau et notamment leur bec. Il y a donc une forte similarité entre le processus d’optimisation numérique et les processus de croissance des os soumis à la sélection naturelle.

Les chercheurs danois ont montré que le résultat final de l’optimisation était 2 à 5 % plus léger qu’une aile classique, ce qui équivaudrait à une économie de carburant de 40 à 200 tonnes par avion et par an. Cependant, pour voir ce type d’aile réalisé, il faudra s’armer d’un peu de patience puisque les techniques actuelles ne permettent pas de construire des structures aussi précises. Mais François Jouve se veut confiant. « Avec le développement soutenu des imprimantes 3D, notamment celles à métal, il sera possible de réaliser ce type de modèle d’ici environ une dizaine d’années ».

Ce nouveau programme d’optimisation pourrait trouver des applications dans de multiples domaines ; il pourrait notamment permettre de concevoir des structures de bâtiments capables de beaucoup mieux résister aux tremblements de terre dans certaines zones à forte sismicité.

Article rédigé par Georges Simmonds pour RT Flash

Pour La Science

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