Calcul de structures, simulation numérique et essais (FEA, CFD, NVH) : audit, conseil, formation et assistance technique pour le naval et le ferroviaire

Cadre normatif et réglementaire du calcul, de la simulation et de l'essai

Une preuve technique avant d'être une exigence réglementaire

Aucun texte ne réglemente « le calcul par éléments finis » ou « la simulation d'écoulement » en tant que telle. Ces activités deviennent exigibles par ricochet : un texte réglementaire, une spécification technique d'interopérabilité (STI), une règle de société de classification ou le contrat d'un donneur d'ordre demandent de démontrer qu'une structure, un équipement ou un système tient ses cas de charge, sa durée de vie ou ses niveaux de bruit. Le calcul, l'essai ou leur combinaison sert alors de preuve, versée dans un dossier de définition, un dossier de sécurité ou un dossier d'approbation de plans.

Le décret n° 2019-525 du 27 mai 2019 relatif à la sécurité et à l'interopérabilité du système ferroviaire organise ces dossiers pour le ferroviaire, et l'Établissement public de sécurité ferroviaire (EPSF) en est l'autorité nationale. Pour les véhicules, l'Agence de l'Union européenne pour les chemins de fer (ERA) intervient selon le domaine d'utilisation. Les preuves de calcul y sont des pièces d'un ensemble plus large, instruit par le demandeur.

Ferroviaire : structures, bogies, essais et bruit

Les normes de calcul et d'essai ne sont obligatoires que par renvoi, mais elles structurent les pratiques. La norme EN 12663-1 fixe les exigences structurelles des caisses de locomotives et de matériel roulant à voyageurs, définit les catégories de véhicules et les cas de charge, et décrit les principes de validation d'une conception par calcul et par essai ; la partie 2 traite les wagons. La norme EN 15227 traite le comportement à la collision et la norme EN 13749 la méthode de spécification des exigences structurelles des châssis de bogie, avec ses vérifications en fatigue. La norme EN 14363 encadre les essais et la simulation pour l'acceptation du comportement dynamique des véhicules.

Pour les équipements embarqués, la norme EN 61373 définit les essais de chocs et de vibrations du matériel roulant. Le bruit extérieur relève de la méthode de mesure EN (norme européenne) ISO 3095 et de la STI (spécifications techniques d'interopérabilité) relative au bruit. La STI relative aux locomotives et au matériel roulant à voyageurs renvoie à la résistance structurelle des véhicules, dont la démonstration s'appuie couramment sur les normes ci-dessus. Pour les ouvrages métalliques de l'infrastructure, on travaille avec l'Eurocode 3 (EN 1993) et avec les actions de trafic de l'Eurocode 1 (EN 1991-2).

Naval et offshore : classification, bruit à bord, structures en mer

Dans le naval, les plans de structure sont approuvés par la société de classification, selon ses règles publiées, et les certificats statutaires sont délivrés par l'État du pavillon ou en son nom. Pour les pétroliers à double coque et les vraquiers, l'IACS publie un jeu harmonisé de règles structurelles communes, les CSR. Les autres navires relèvent des règles propres à chaque société, dont les éditions changent chaque année : une note de calcul cite l'édition qu'elle applique.

Le bruit à bord est encadré par la règle II-1/3-12 de la convention SOLAS (Safety Of Life At Sea, convention internationale pour la sauvegarde de la vie humaine en mer) et par le code de l'Organisation maritime internationale (OMI) sur les niveaux de bruit à bord des navires, adopté par la résolution MSC.337(91) et applicable aux navires neufs de 1 600 de jauge brute et plus. En France, les mesurages de bruit et de vibrations à bord sont confiés à des organismes habilités. Pour l'éolien en mer, des normes de la société de classification DNV, comme DNV-ST-0126 sur les structures support et DNV-ST-0119 sur les éoliennes flottantes, servent de référence aux calculs de fatigue et de tenue.

Ce que l'on attend d'une chaîne de calcul et d'essai

Valider un modèle, pas seulement le faire converger

Un calcul qui converge n'est pas un calcul juste. Les guides de vérification et de validation, comme les documents ASME (American Society of Mechanical Engineers) V&V 10 pour la mécanique des solides et V&V 20 pour la mécanique des fluides numérique et les transferts thermiques, posent la distinction qui structure la démarche : la vérification demande si les équations sont résolues correctement, la validation demande si ce sont les bonnes équations. Elle se traite par des études de maillage, des cas de contrôle simples, des bilans, puis par la comparaison avec des mesures.

La corrélation essai-calcul est le point que les lecteurs extérieurs regardent en premier : jauges de contrainte sur une caisse, accéléromètres sur une ligne d'arbres, mesures de bruit en cabine, essais en bassin. Un modèle recalé sur des mesures se présente avec ses incertitudes et son domaine de validité. L'association NAFEMS publie des références de bonnes pratiques sur ces sujets.

Maîtriser la chaîne de calcul

La qualité d'un résultat dépend de tout ce qui précède le solveur : géométrie, données d'entrée, unités, matériaux, cas de charge, versions des logiciels, scripts de pré et post-traitement, archivage des fichiers. Un donneur d'ordre peut demander de rejouer un calcul des années après : la chaîne doit être reproductible. Les changements de version ou de solveur sont une source d'écarts à traiter par des cas de non-régression.

Cette maîtrise est aussi contractuelle. Les plans, les modèles et les calculs d'un constructeur, d'un chantier ou d'un armateur sont confidentiels. Les contrats fixent la titularité des livrables, l'absence de réutilisation et les licences des logiciels de calcul utilisés. Une prestation sérieuse commence par ces points.

Moyens d'essai et de mesure

Un banc d'essai ou une chaîne d'acquisition produit des données exploitables si les capteurs, l'étalonnage et le traitement du signal sont maîtrisés. La norme ISO/IEC 17025 fixe les exigences de compétence des laboratoires d'étalonnage et d'essais, et le Cofrac accrédite en France les laboratoires selon cette norme. Les bancs pilotés par logiciel posent la question de la validation des séquences de test, de la traçabilité des résultats et de l'analyse des incertitudes. Le traitement des données vibratoires (transformée de Fourier, spectrogrammes, analyse modale) demande les mêmes précautions que le calcul : fenêtrage, résolution fréquentielle, filtrage et choix des unités se justifient et se tracent.

Rôles et responsabilités

Qui produit, qui vérifie, qui évalue

Le demandeur d'une autorisation ou d'une approbation (constructeur, exploitant, armateur, chantier) est responsable de son dossier et de ses calculs. Son bureau d'études ou son sous-traitant produit les notes ; un vérificateur interne les relit ; l'évaluation officielle, quand elle est exigée, revient à un organisme indépendant : organisme notifié ou désigné, organisme d'évaluation de l'analyse des risques, société de classification ou administration du pavillon. Le décret du 27 mai 2019 interdit à l'organisme d'évaluation de la conformité de s'impliquer dans la conception du produit qu'il évalue (article 56).

Conséquence pour un prestataire de calcul : qui a conçu ou calculé ne peut pas ensuite évaluer le même projet. La séparation doit être organisée et documentée.

Les exigences se transmettent de rang en rang. Un équipementier qui livre un bogie ou un support de ligne d'arbres reçoit du constructeur ou du chantier ses cas de charge, ses critères d'acceptation, ses règles de confidentialité et sa façon de présenter les notes. Un sous-traitant de calcul hérite de ces exigences, et le donneur d'ordre attend qu'il les applique sans que chaque revue soit une découverte. Pour l'exploitant ou l'armateur, ces calculs pèsent ensuite sur la fatigue, la maintenance et les coûts de cycle de vie.

Les publics concernés

Le sujet concerne les ingénieurs calcul de structures et simulation, les ingénieurs matériel roulant et essais, les architectes navals et ingénieurs hydrodynamique, les responsables de bureau d'études, les responsables d'essais et de métrologie, ainsi que les chefs de projet qui arbitrent entre calcul, essai et sous-traitance. Les organisations concernées vont des constructeurs et équipementiers ferroviaires aux chantiers navals civils et militaires, en passant par les sociétés d'ingénierie, les opérateurs d'éolien en mer et les laboratoires et bassins d'essais.

Ce que nous faisons, et ce que nous ne faisons pas

Ce que nous faisons

Nous relisons de façon critique des modèles et des rapports, conseillons sur les méthodes et la stratégie de validation, réalisons des études de calcul (structures, fatigue, dynamique, mécanique des fluides, vibrations et acoustique), déployons ou migrons des chaînes de calcul, et formons. Nous intervenons aussi en assistance technique, sous la responsabilité et l'encadrement d'Optédif, avec des livrables définis, au forfait ou en récurrent. Les thèmes du catalogue sont surtout des logiciels, mais nous partons des méthodes : l'outil se choisit après le problème, et nous n'en promouvons aucun.

Nos notes de calcul consignent les hypothèses, les données d'entrée, les versions d'outils et les critères. Elles sont présentables à votre donneur d'ordre, à l'exploitant ou à l'organisme tiers.

Ce que nous ne faisons pas

Une note de calcul d'Optédif ne vaut ni approbation, ni vérification indépendante, ni certificat. Nous ne sommes ni société de classification, ni organisme notifié ou désigné, ni organisme d'évaluation de l'analyse des risques, ni laboratoire accrédité pour vos essais. Nous ne classons aucun navire et ne délivrons aucune autorisation, aucun agrément, aucune certification ni habilitation. La signature, la soumission du dossier et la décision restent chez vous.

Nous ne mettons pas de personnel à disposition : une mission porte sur un objectif, des livrables et un périmètre définis. Nous n'intervenons pas à bord pour des essais en mer, régime qui demande une analyse juridique propre.

Données sensibles et exigences du donneur d'ordre

Les modèles et résultats peuvent contenir des informations confidentielles ou des données soumises à contrôle des exportations, par exemple au titre du règlement (UE) 2021/821 sur les biens à double usage. Quand une étude touche à des programmes de défense, les exigences d'habilitation et de contrôle des exportations fixées par le donneur d'ordre s'imposent à la mission, et nous n'intervenons pas sur des données contrôlées sans cadre contractuel et réglementaire défini au préalable.

Références officielles

Textes et autorités

• EPSF : décret n° 2019-525 du 27 mai 2019, autorisations de véhicules et d'installations fixes.
• ERA : STI et autorisations de véhicules.
• Ministère chargé de la mer, sécurité et transition écologique des navires : divisions du règlement annexé à l'arrêté du 23 novembre 1987, sociétés de classification habilitées.
• OMI : SOLAS, code sur les niveaux de bruit à bord.

Normes et guides cités

EN 12663 (parties 1 et 2), EN 15227, EN 13749, EN 14363, EN 61373, EN ISO 3095, Eurocode 3 (EN 1993) et Eurocode 1 (EN 1991-2), ISO/IEC 17025, ASME V&V 10 et V&V 20, CSR de l'IACS, DNV-ST-0126 et DNV-ST-0119. Ces documents sont privés, protégés et payants : nous ne les reproduisons pas, et nous citons l'édition applicable dans chaque note. Pour la sûreté de fonctionnement et le soudage, voir les domaines correspondants du site.