3DEXPERIENCE
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En 1968, l’Anglais David Hibbitt avait entamé depuis quelques années son doctorat en mécanique des solides à l’université Brown de Providence lorsqu’il a changé de conseiller pour travailler avec Pedro Marcal, un jeune professeur assistant qui était arrivé de Londres avec deux boîtes de cartes perforées contenant une version du programme d’éléments finis SAP. Pedro essayait d’étendre le programme pour modéliser des problèmes non linéaires, notamment la plasticité, les grands mouvements et les déformations. David venait de découvrir la programmation en Fortran et s’est rendu compte qu’il aimait écrire du code, ainsi que le défi d’appliquer la mécanique des solides à la conception technique.
À l’époque, les gens avaient déjà reconnu le potentiel des méthodes d’éléments finis et plusieurs codes commerciaux étaient disponibles. « Mais le domaine non linéaire était très ouvert », explique M. Hibbitt. « Il y avait beaucoup de promesses d’applications utiles. »
Première incursion dans le domaine non linéaire
La thèse de M. Hibbitt a été financée par un contrat de la marine américaine qui prévoyait le développement d’une capacité d’éléments finis pour modéliser le soudage en plusieurs passes des coques de sous-marins et prédire la perte de performance causée par la distorsion résiduelle. Il a donc dû développer des capacités de transfert de chaleur capables de gérer l’effet de chaleur latente lorsque le métal en fusion se solidifie, utiliser ces prévisions de température pour modéliser la réponse mécanique de la structure, y compris la plasticité et le fluage, tout au long du processus de soudage multipasse, puis effectuer une analyse de flambage de la structure déformée.
« Ce n’était pas une mince affaire », explique M. Hibbitt. « Et bien au-delà des capacités des ordinateurs de l’époque. L’université Brown disposait d’un seul ordinateur IBM 360/50 pour l’ensemble du campus, ce qui signifiait un temps limité pour les chercheurs. Selon la loi de Moore, un seul téléphone portable possède aujourd’hui la puissance de calcul de 33 millions de machines de ce type. Et, comme vous le savez, Abaqus et d’autres codes ont besoin d’une puissance de traitement bien supérieure à celle d’un téléphone portable.
Au fur et à mesure que la recherche progressait, le groupe universitaire de Marcal recevait de plus en plus d’appels de diverses industries qui lui demandaient si son nouveau code (Marc) pouvait les aider. Le nombre d’appels étant suffisant, il a créé la société MarcAnalysis en 1971, avec Hibbitt comme copropriétaire mineur et premier employé à temps plein. Au fur et à mesure que la société se développait, Paul Sorensen (l’Américain de notre histoire, qui avait quitté l’Équateur à l’adolescence pour s’installer aux États-Unis) s’est joint au groupe pendant un certain temps, mais il est parti faire un doctorat en mécanique des fractures, après quoi il a commencé à travailler dans les laboratoires de recherche de General Motors à Detroit.
Control Data Corporation (CDC) a complété les ressources informatiques du groupe en laissant Marc tourner sur les ordinateurs centraux de ses centres de données sur la base d’un « paiement à l’heure ». Un analyste du support de CDC dans le centre de données de Stockholm, en Suède, Bengt Karlsson, a commencé à utiliser le code et l’a trouvé suffisamment intrigant pour demander à rejoindre la société. Il a été embauché. Lorsque Marcal a déménagé en Californie pour donner une autre orientation à l’entreprise, Hibbitt et Karlsson sont restés à Rhode Island avec le groupe chargé des éléments finis. Mais ils ont eu du mal à répondre aux besoins des ingénieurs responsables de la conception qui n’avaient pas le temps de reconstruire ou de déboguer ce qui était encore un code de recherche pour chaque application. « Nous avons pensé que la meilleure solution était de développer un outil robuste de type « boîte noire » pour les ingénieurs ayant besoin de faire des calculs non linéaires pour résoudre des problèmes industriels », explique Hibbitt. Mais Pedro n’était pas intéressé par un tel investissement.
Création d'un tout nouveau code
David et Bengt ont donc décidé d’essayer par eux-mêmes. « Presque tous ceux qui nous ont conseillés nous ont dit que nous échouerions », se souvient David, « il existait déjà 22 programmes de FE viables qui se disputaient les marchés de l’industrie, et même les plus gros ordinateurs étaient trop limités pour effectuer des calculs non linéaires d’une taille pratique ». Mais ils avaient suffisamment d’économies pour nourrir leur famille et payer leur hypothèque pendant un an. C’est ainsi qu’est né le logiciel ABAQUS. Le premier logo de l’entreprise, un abaque stylisé, contient un message : ses perles sont réglées sur la date officielle de lancement de l’entreprise, le 1er février 1978 (2-1-1978).
Beaucoup d’entreprises technologiques démarrent dans des garages ; Hibbitt et Karlsson disposaient du luxe relatif du salon de la ferme de Rhode Island du début du XIXe siècle de l’Anglais, ainsi que de la table de la salle à manger à laquelle Susan, la femme de David, payait les factures et tapait à la machine à écrire Selectric d’IBM, qu’elle avait louée.
« Nous étions une société de logiciels sans logiciel, sans ordinateur, sans clients ou clients potentiels et presque sans argent », explique David. Ils ont d’abord rédigé un manuel de l’utilisateur dans le but de rendre facile et intuitive la définition d’un problème, puis ils ont conçu l’architecture du code. Hibbitt écrivait souvent le code dans les avions alors qu’il faisait la navette pour donner un cours de troisième cycle sur la plasticité en tant que professeur auxiliaire à l’université du Texas à Austin – un travail qu’il a accepté pour apporter un peu de revenus à l’entreprise affamée.
Conformément à leur philosophie commune de création de code pratique pour résoudre des problèmes concrets, la version 1 a été créée pour un client spécifique. Grâce à une rencontre fortuite lors d’une conférence de l’ASME, Hibbitt a pris contact avec le laboratoire du site de développement nucléaire de Hanford, qui devait concevoir les dispositifs de retenue mécaniques pour le cœur d’un prototype de réacteur à neutrons rapides.
« Nous savions que si nous ne leur livrions pas le code dans les trois mois, nous ne serions pas payés », explique Karlsson. « C’était une grande motivation ! Dans les délais, ils ont livré 15 000 lignes de FORTRAN avec seulement quatre éléments – poutre, gap (contact ponctuel), truss et SPHEX (pour modéliser la section déformable des barres de combustible à l’endroit où elles entrent en contact) – et modélisant la dilatation thermique, le fluage et le gonflement dû à l’irradiation des métaux dans les barres de combustible et les dispositifs de retenue.
Lorsque Paul Sorensen est revenu à Providence pour une visite de Noël chez ses beaux-parents, il a rendu visite à David et Bengt et, après un week-end de discussions avec eux et (séparément) avec sa femme Joan, il a décidé de les rejoindre. C’est ainsi que la société est devenue HKS, un amalgame de leurs trois noms de famille. L’expérience de Paul en matière de simulation par éléments finis de la croissance des fissures en régime permanent a été un atout pour le travail effectué pour le compte des premiers clients de la société.
Un autre client de la première heure était Exxon Production Research, qui avait besoin d’un code pour les installations de tuyauterie offshore et l’analyse des colonnes montantes marines ; ce code est devenu le prédécesseur de la capacité ABAQUS/Aqua. « La difficulté technique résidait dans l’élancement relatif des tuyaux de 10 pouces qui mesuraient des centaines de pieds de long », se souvient M. Hibbitt.
Les projets des clients développent le code
Les capacités d’ABAQUS ont continué à croître au cours des années 1980, en même temps que le nombre d’employés de HKS. Des éléments de coque et de continuum ont été ajoutés, ainsi que la simulation de la plasticité, de la dynamique, du transfert de chaleur, etc. « Chaque client était important pour nous et ses exigences ont guidé notre développement », explique Karlsson. « Mais nous étions toujours conscients de la nécessité d’offrir des fonctionnalités utiles pour des applications spécifiques tout en conservant un code polyvalent. »
Une femme introduit des cartes perforées dans une machine. À l’époque, le personnel de HKS installait physiquement son logiciel sur le site d’un client à chaque fois qu’une nouvelle licence était achetée. Ils apportaient le code source sur bande chez le client, compilaient le programme et le faisaient fonctionner sur l’ordinateur du client, exécutaient tous les exemples, puis vérifiaient les résultats imprimés en les comparant aux copies sur microfiches des résultats des versions précédentes du code.
L’avènement des premiers superordinateurs a relégué les cartes perforées aux livres d’histoire, tandis qu’Abaqus se forgeait une réputation de logiciel scientifique et d’ingénierie sophistiqué, capable de fonctionner sur ces machines alors puissantes. Comme les utilisateurs actuels de la simulation le savent maintenant, l’avenir allait apporter une explosion de l’informatique à haute performance (HPC) qui a alimenté l’évolution de chaque nouvelle version d’ABAQUS, avec des modèles faisant un bond en avant en termes de nombre d’éléments et de degrés de liberté, une accélération considérable du temps de traitement et une visualisation en 3D de plus en plus réaliste.
Dans les années 1970, l’analyse par éléments finis n’en était qu’à ses balbutiements par rapport aux normes actuelles. Pour HKS, le marché de l’analyse non linéaire robuste était déjà là. L’énergie nucléaire a continué à être une source de travail précoce, avec des défis tels que le fouettement non linéaire des tuyaux et le développement d’éléments « coudés » pour inclure la modélisation de la plasticité et du fluage dans les coudes de tuyaux d’une manière efficace sur le plan du calcul (considéré comme l’un des « joyaux de la couronne » des éléments finis phares d’ABAQUS). D’autres travaux pionniers de développement de la mécanique comprenaient des éléments spéciaux et des modèles de matériaux pour l’analyse des sols, ainsi que la modélisation du béton et des barres d’armature pour les analyses des structures de génie civil et des bâtiments de confinement des centrales nucléaires.
L'avant et l'après du traitement FEA
Au fur et à mesure que les capacités d’ABAQUS se sont développées, il est devenu évident qu’il ne pouvait pas continuer à être un produit indépendant sans un préprocesseur pour formuler le problème et un postprocesseur pour examiner les résultats sous forme de graphiques.
Dans les premiers temps de l’analyse par éléments finis, les ingénieurs devaient tirer des conclusions de leurs analyses en étudiant les tableaux imprimés de leurs résultats. Le manuel de l’utilisateur d’ABAQUS 4.0 suggère toutefois que « la présentation des résultats sous forme de graphiques ou d’images permet, pour la plupart des problèmes, de mieux comprendre les résultats que les colonnes de chiffres ».
Pour répondre à ce besoin d’images de résultats, le concept de « fichier de sortie de tracé » a vu le jour. Avec ce mécanisme, les utilisateurs inséraient des commandes de tracé demandant des contours ou des déplacements à intervalles réguliers au cours de l’analyse, et un fichier de tracé était généré et affiché sur un traceur Calcomp.
Une avancée graphique majeure s’est produite lorsque Hibbitt a eu l’idée d’un fichier de tracé « neutre », qui a été mis en œuvre lors d’une installation chez Electric Boat, client d’ABAQUS. Ce fichier contenait des commandes de tracé indépendantes de l’appareil qui étaient converties en commandes spécifiques à l’appareil par des pilotes.Le tracé d’une simple ligne impliquait des commandes pour sélectionner une couleur, positionner, abaisser, repositionner, puis relever le stylo. Les fichiers images étaient ensuite affichés sur des traceurs ou des terminaux Tektronix ; à l’époque, l’exécution d’un travail de quelques centaines d’éléments prenait une demi-journée.
En 1987, ABAQUS/Post a été lancé en tant que postprocesseur autonome avec entrée de commandes et la satisfaction d’un retour d’information visuel à l’écran.
Le développement d’un préprocesseur a été un défi qui a mobilisé l’équipe d’ABAQUS pendant des années. « Nous voulions un code entièrement interactif », explique M. Hibbitt. Nous avons estimé que l’approche « feuille blanche » était le meilleur investissement à long terme pour développer pleinement les points forts de notre produit. La société a consacré d’importantes ressources à ABAQUS/CAE, qui devait être la fenêtre sur les solveurs, facilitant la création, la gestion et la visualisation de simulations complexes, ainsi que la personnalisation d’ABAQUS pour des applications spécifiques.
Explicite, visualisation et personnalisation de l'interface graphique
Parallèlement au développement du pré- et du post-traitement, des efforts considérables ont été déployés pour mettre au point un code commercial de dynamique explicite, qui devait avoir sa propre architecture. Hibbitt se souvient : « À l’époque, notre principale cible pour ABAQUS/Explicit était l’analyse des collisions. Mais comme, contrairement à certains concurrents, nous étions très attentifs à ne pas troquer la qualité de la mécanique contre la vitesse de calcul, ABAQUS/Explicit s’est également avéré utile pour des événements tels que la simulation d’essais de chute, pour s’assurer qu’un téléphone portable pouvait survivre à une chute, par exemple ».
La première version officielle d’ABAQUS/Explicit a été remise en main propre au MIT en 1992. La version 0 d’ABAQUS/Viewer a été publiée en tant que produit autonome en 1998. Les mêmes fonctionnalités ont été mises à disposition dans le module de visualisation d’ABAQUS/CAE en 1999. Les utilisateurs pouvaient désormais interagir avec ABAQUS/Viewer par le biais d’une interface utilisateur graphique (GUI), en sélectionnant des actions et des options par le biais d’icônes, de menus et de boîtes de dialogue.
Une fois de plus, une relation avec un client a contribué à la mise en place de ces capacités améliorées. En 1996, HKS a conclu un accord avec British Steel pour la fourniture d’un système personnalisé de conception de passage de rouleaux. Le projet a eu un effet profond sur les activités de développement et a joué un rôle déterminant dans l’élaboration des plans et des résultats pour les produits CAE et Explicit. Il a également favorisé une approche intégrée du développement, qui a eu un impact à la fois sur l’architecture du code (en particulier la base de données de sortie) et sur la structure organisationnelle, et a également été le premier à tirer parti de la personnalisation de l’interface utilisateur graphique.
L’un des objectifs de British Steel était d’intégrer les connaissances de ses ingénieurs et analystes experts (dont certains étaient proches de la retraite) dans un système automatisé pouvant être utilisé par les concepteurs. La personnalisation de l’interface graphique a permis de créer des applications fournissant des interfaces utilisateur dans des termes familiers aux concepteurs, tout en masquant les détails des analyses qui se déroulent en coulisses. Il s’agissait là d’un élément important de la stratégie d’automatisation des processus : permettre une personnalisation qui permette aux utilisateurs les moins expérimentés d’accéder au logiciel FEA et de l’utiliser.
Après 23 ans de direction, David Hibbitt a pris sa retraite en 2001 ; Bengt Karlsson et Paul Sorensen lui ont emboîté le pas l’année suivante. Tous trois vivent encore en Nouvelle-Angleterre. En novembre 2002, HKS Inc. a changé de nom pour devenir ABAQUS Inc. juste avant le 25e anniversaire de la société. Trois ans plus tard, ABAQUS Inc. a donné naissance à la marque SIMULIA de Dassault Systèmes. Plus de 350 ingénieurs et programmeurs SIMULIA sont aujourd’hui basés au siège de la marque à Johnston, Rhode Island, et 1 350 autres sont répartis dans 22 pays à travers le monde, au service de clients allant d’équipementiers de premier plan à des startups technologiques opérant uniquement sur le cloud.
Diversification dans le domaine de la multiphysique
« Il y a quelques années, nous disions en plaisantant que nous n’avions pas vraiment besoin de développer un autre élément fini, puisque nous en avions déjà 350 dans le code et que nous n’avions pas besoin d’un 351e », déclare Alan Prior, directeur principal des ventes techniques. « Mais nous devions nous diversifier au-delà d’Abaqus [écrit en lettres minuscules depuis 2005] pour nous intéresser à la physique au sens large, et nous devions démocratiser la simulation auprès d’un plus grand nombre d’utilisateurs, faute de quoi nous nous serions autolimités ».
Aujourd’hui, quarante ans de technologie Abaqus FEA restent au cœur d’une corne d’abondance élargie de capacités multiphysiques de premier plan. En commençant par Isight du logiciel Engineous en 2008, SIMULIA a ajouté des capacités d’optimisation, de création de modèles et d’automatisation des processus, de CFD, de moulage par injection, de fatigue et de durabilité, d’optimisation de la topologie, d’électromagnétisme, de vibroacoustique et bien plus encore.
« L’attrait d’Abaqus a attiré tous ces autres produits qui ont été développés avec la même passion que les fondateurs de HKS », déclare M. Prior. « Nous avons servi d’aimant à d’autres entreprises technologiques partageant la même philosophie. Cet enthousiasme partagé pour s’attaquer aux problèmes de simulation les plus difficiles est fondamental pour chaque entreprise qui rejoint la famille SIMULIA, dit-il, « mais nous ne perdons jamais de vue le ‘pourquoi’ – nous voyons toujours la valeur pour un client, une industrie ou la communauté des ingénieurs dans son ensemble ».
Le projet « Living Heart » de SimuliaCe « pourquoi » a récemment été présenté à David Hibbitt lorsque Steve Levine, le chef du projet « Living Heart » de SIMULIA, a eu l’occasion de lui mettre des lunettes 3D pour que le fondateur d’Abaqus puisse voir le modèle 3D phare de l’entreprise d’un cœur humain qui bat, avec le flux sanguin, l’activation électrique, les cycles cardiaques et la réponse des tissus au niveau moléculaire.
La réponse de M. Hibbitt ? « C’est un merveilleux exemple de ce que nous espérions à la suite de l’acquisition d’Abaqus par Dassault Systèmes : la fourniture d’une mécanique hautement sophistiquée, conditionnée pour être utilisée par une personne responsable d’un produit ou d’un processus qui ne sait rien des complexités enfouies dans le logiciel. Dans le cas présent, cet utilisateur est un chirurgien cardiaque, qui dispose désormais d’un outil lui permettant de planifier son travail en fonction des besoins de chaque patient et d’améliorer ainsi considérablement sa capacité à faire le bien… Il est clair qu’il reste encore beaucoup à faire pour apporter toute la valeur nécessaire à cette application, mais il est merveilleux de continuer à consacrer son temps à de telles entreprises. Nous vous souhaitons beaucoup de succès dans la poursuite de ces projets ».
Source : https://www.nafems.org/blog/posts/analysis-origins-abaqus/
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