Mécanique, Énergie et Électricité (Roberval)

Le laboratoire Roberval (FRE UTC-CNRS 2012) a pour vocation le développement de méthodes expérimentales et numériques innovantes pour l'analyse, la modélisation et la conception des structures et des systèmes mécaniques.

Objectifs

Le Laboratoire Roberval se positionne sur la conception de composants et de systèmes mécaniques / multiphysiques innovants, en proposant de mener des travaux de recherche scientifique et technologique dans un contexte interdisciplinaire, condition nécessaire à la conception, à l'étude du comportement et de la durabilité des systèmes complexes. En particulier, l'unité apporte une contribution de fond pour définir un cadre d'étude de ces systèmes complexes (choix entre approche systémique ou mécanistique, choix des des échelles pertinentes pour l'étude des variabilités...).

Ses activités de recherche portent sur le développement de compétences expérimentales, théoriques et numériques multidisciplinaires, visant à développer une expertise sur les méthodologies d'analyse, de conception et de fabrication dans le respect de l'environnement.

Equipes et thèmes de recherche

Les recherches du Laboratoire Roberval s'appuient sur les domaines de la science des matériaux, de la mécanique des solides et des fluides, de l'acoustique et des vibrations, de la mécatronique, du génie électrique et de l'ingénierie des systèmes.

L'unité est organisée en 5 équipes de recherche :

  • Méthodes numériques en mécanique
  • Acoustique et vibrations
  • Matériaux et surfaces
  • Mécatronique, énergie, électricité, intégration
  • Systèmes industriels : produits / process

Ces cinq équipes contribuent à deux thématiques transversales définies au sein du laboratoire :

  • Incertitudes et variabilités
  • Matériaux et structures à fonctions intégrées

Plateformes

L'Unité développe 7 plateformes :

  • Calculs intensifs
  • Serveurs virtualisés
  • Vibro-acoustique
  • Caractérisation des matériaux
  • Mise en oeuvre des matériaux
  • Mécatronique
  • Énergie électrique

Laboratoires communs

Créé en 2019, le Laboratoire Commun FuseMetal est le fruit d'une collaboration de plus de 20 ans entre le laboratoire Roberval et la société ArcelorMittal France (dont le centre de recherche automobile est implanté à Montataire).

Le laboratoire Roberval est également engagé avec la société DeltaCAD dans le laboratoire commun DIMEXP (Digital Mockup for multi-EXPertises integration).

Projets d'Investissement d'Avenir (PIA)

  • Institut de Recherche Technologique IRT RAILENIUM dédié au ferroviaire. Le laboratoire est principalement impliqué dans les thématiques matériaux et procédés, suivi de l'état des infrastructures ferroviaires et méthodes de prototypage virtuel et pré-certification par calcul.
  • Équipement d'Excellence EQUIPEX FIGURES, portant sur le développement d'une plateforme de recherche et de formations chirurgicales dédiées au visage. Le laboratoire est impliqué dans la caractérisation du comportement des matériaux du vivant.
  • Projet ESSENCYELE sur la motorisation des véhicules propres dans le cadre du pôle MOVEO et de l'ITE VEDECOM.

Pôles de compétitivité

L'unité est particulièrement active dans les pôles de compétitivité à vocation mondiale iTrans, MOVEO et SYSTEMATIC.

Partenariats industriels

  • Automobile : RENAULT, PSA, SAINT-GOBAIN, ARCELOR-MITTAL, VALEO, PLASTIC OMNIUM
  • Ferroviaire : ALSTOM, ARCELOR-MITTAL, Fraiveley Transport
  • Aéronautique et spatial : SAFRAN, EADS, AIRBUS, CNES, ONERA
  • Énergie : EDF, CEA
  • Défense : DGA
  • Éditeur de logiciels : ESI Group
  • Centres techniques : Centre Technique pour les Industries Mécaniques (CETIM), Centre d'études et d'expertise sur les risques, l'environnement, la mobilité et l'aménagement (CEREMA)

Partenariats Universitaires internationaux

NPU Northwestern Polytechnical University de X'ian (groupe de recherche commun Virtual Prototyping for Design and Fabrication), École Nationale des Ingénieurs de Sfax, Université de Santiago du Chili, École des Mines de Cracovie, Université de Technologie de Wroclaw, Universités du Québec, Université Libre de Bruxelles, Imperial College of London, ISVR Southampton, TU Braunschweig...

Projets ANR

> Le labcom DIMEXP vise à favoriser l'émergence de référentiels et de standards de conception et d'industrialisation de produits mécaniques par la gestion collaborative et multi-échelle de maquette numérique innovante et par la prise en considération d'informations hétérogènes au sein de cette dernière. DIMEXP a été retenu lors du premier appel à projets Labcom de l'ANR. 

> L'objectif du projet ALVEO consiste à développer des systèmes permettant de réaliser des tâches de micro-convoyage tridimensionnelles complexes en contexte de micro-usine. Le système de convoyage proposé intègre une plateforme physique, composée d'un réseau de micro-actionneurs numériques, et des stratégies de pilotage assurant un fonctionnement optimal. Les actionneurs numériques, sur lesquels repose la plateforme, disposent d'une architecture simple, composée de positions discrètes entre lesquelles la partie mobile de l'actionneur peut se déplacer. Toutes positions intermédiaires ne constituent que des états transitoires ne pouvant être conservés dans un fonctionnement normal. Les actionneurs numériques ne nécessitent donc qu'une commande minimaliste basée sur des impulsions d'énergie nécessaires uniquement lors d'un changement d'état, ceci ayant pour effet de limiter la consommation d'énergie, enjeu majeur au regard du plan d'action 2015 de l'ANR. 

> Le projet RESEED s'intègre dans le domaine de la rétro-conception (ou Reverse Engineering en anglais) et s'allie avec les besoins et les particularités liés au patrimoine. Aujourd'hui, la rétro-conception est largement utilisée dans l'industrie manufacturière afin de capturer l'information 3D des produits.

Aujourd'hui, la rétro-conception est largement utilisée dans l'industrie manufacturière afin de capturer l'information 3D des produits. Mais digitaliser les données physiques ne rend pas compte des connaissances portées par les produits, capitaliser ce savoir-faire est pourtant aujourd'hui cruciale pour faire évoluer mes produits de demain. On distingue donc deux types d'approches :

  • les démarches de gestion des connaissances classiques s'appuyant sur les sources sémantiques,
  • et les outils de numérisation / modélisation 3D.

Cependant il n'existe pas à l'heure actuelle de processus globalisant la démarche : les verrous technologiques résidant dans l'interdisciplinarité conduisent à des verrous scientifiques nécessitant un alignement des modèles et une remise à plat des processus usuels des industriels. Ce projet vise à mettre en place une nouvelle méthodologie, un outil et un format interopérable pour permettre l'alliance de la digitalisation sémantique et physique des objets.

> Au regard de l'évolution de l'économie et de la société, les processus industriels doivent s'adapter et répondre à une production tirée par le client, un client qui est devenu beaucoup plus exigeant et qui souhaite acquérir des produits customisés et à grande diversité. Une conception modulaire du produit et du process permet de réduire les coûts de production, d'augmenter la flexibilité et les capabilités d'un système de production tout en offrant des produits à grande diversité. La conception modulaire du produit est un vieux concept, mais le processus modulaire est relativement nouveau. Il existe de nombreux travaux de recherche sur les deux méthodes, mais rares sont ceux qui envisagent une approche intégrée produit/process. Le projet IPROD vise à proposer une méthode de conception modulaire intégrée produit/process, et de développer un configurateur intégré de produit / process qui permet aux différents utilisateurs de développer des variantes de produits, ou des produits customisables.

Projets FUI

> Le projet LUCID traite de la problématique d'élaboration des programmes d'usinage et des stratégies associées. Cette activité requiert tout le savoir-faire des usineurs. Il est stratégique pour eux d'identifier, communiquer et diffuser ce savoir-faire au sein de l'entreprise. LUCID a pour objectif de fournir un outil d'assistance à l'élaboration de programmes d'usinage et de faciliter la diffusion et la maîtrise des bonnes pratiques au sein de l'entreprise. Ce projet proposera donc la création d'un ensemble de fonctionnalités exploitant le Data Mining pour capitaliser et gérer la connaissance en usinage, analyser les formes géométriques et reconnaitre de manière intelligente les entités et les bonnes pratiques de l'entreprise. Ce projet vise le marché du e-Manufacturing avec une solution destinée à tous types d'entreprises usineur (PME à grands groupes, et différents secteurs).

> L'objectif du projet ACCECOTP (Amélioration du Comportement au Crash et aux Chocs des Equipements en Composites Thermoplastiques) est d'obtenir un gain de masse de l'ordre de 20% des équipements aéronautiques et ferroviaires ayant des caractéristiques dimensionnantes de tenue au crash et/ou aux chocs. Ce projet de recherche (niveau TRL6) porte, sous la tutelle du groupe international Safran, sur :

  • le traitement des préformes sèches afin d'améliorer leur qualité de surface et favoriser ainsi des imprégnations souples, 
  • le développement d'une famille de produits en composites thermoplastiques Verre/Polysulfone et Carbone/Polysulfone monolithiques et sandwiches,
  • l'application des procédés d'assemblage et de transformation de pointe (soudage laser, rivetage, collage, etc.),
  • le recours à des lois de comportement à des grandes vitesses de déformation afin de prédire le comportement mécanique de ces structures thermoplastiques.

Projets Européens

› Le projet SuPLight porte sur de nouveaux modèles industriels pour des solutions durables avec 75% de recyclage des composants structurels haut de gamme à base d'alliages forgés. Des algorithmes d'optimisation de pointe sont utilisés pour les produits et l'optimisation des processus avec jusqu'à 50% augmentation du rapport poids / performance.

› Le projet Refresco tend vers un cadre réglementaire pour l'utilisation de nouveaux matériaux structurels en transport ferroviaire de passagers et de fret des carrosseries de voiture.

› Le projet HEXENOR développe des technologies de réduction du bruit à l'échappement du moteur d'hélicoptère.

Programmes d'investissements d'avenir

Le laboratoire est investi dans 4 programmes d'investissements d'avenir dans lesquels l'UTC est porteuse :

  • Les matériaux et les procédés, le suivi de l'état des infrastructures ferroviaires. Il pilote le programme "méthodes de prototypage virtuel et pré-certification par calcul" au sein de l'IRT RAILENIUM dédié au ferroviaire
  • Les systèmes mécatroniques, la prise en compte des incertitudes et l'optimisation multidisciplinaire des systèmes mécaniques dans le cadre du Labex MS2T (Maîtrise des systèmes de systèmes)
  • Les aspects mécaniques des matériaux agro-sourcés et modélisation du métabolisme plante/levure dans l'ITE Pivert
  • La caractérisation du comportement des matériaux du vivant avec l'Équipex FIGURES

› Le laboratoire Roberval a également été retenu pour travailler sur le programme d'investissements d'avenir lors des appels pilotés par l'ADEME, avec, par exemple :

  • le projet Compofast (AMI - Allégement, Aérodynamique, Architecture des véhicules), qui consiste à développer des composites thermoplastiques à renfort continu contribuant de manière très significative à l'allégement des véhicules et respectant les contraintes de coût et de cadence de l'automobile grande série
  • le projet CERVIFER (AMI - Transports ferroviaires), qui se fixe comme objectif principal d'augmenter la compétitivité de l'industrie ferroviaire française, grâce à l'utilisation maîtrisée de logiciels de prototypage virtuel et au développement de procédures robustes et validées de pré-certification par le calcul de composantes et systèmes du matériel roulant et de l'infrastructure
  • le projet BESTH (AAP-Bruit et nuisances sonores), qui dans le cadre d'un bus à transmission hybride hydraulique parallèle, vise à comprendre les phénomènes physiques mis en jeu dans ce problème et de définir les évolutions de conception des produits et des systèmes permettant de fournir des solutions de transmission silencieuses acceptables par ces nouveaux marchés.

Projet Sorbonne Universités

Le projet HV-NanoRob a pour ambition de concevoir et de commander à haute vitesse un système nanorobotique permettant de générer des trajectoires rapides de la sonde d'un Microscope à Sonde Locale (MSL). Le système proposé se différencie des systèmes existants par sa capacité à cartographier à haute vitesse et dans un environnement contraint des surfaces étendues.

Les composites : des matériaux à renforts 3D et à renforts végétaux

Les enjeux actuels et futurs en termes rapport "performance / coût" des secteur de l'aéronautique, du transport terrestre et naval imposent l'utilisation de matériaux innovants répondant à des exigences structurales et fonctionnelles.

Le développement des matériaux composites à renfort 3D, domaine dans lequel l'UTC possède une expérience forte de plus de 15 ans, est une réponse pertinent à ces enjeux. Alors que les précédentes générations (renfort 1D et 2D) souffraient de carences des propriétés mécaniques troisième direction de l'espace, ce renforcement 3D hors plan des tissus dits "techniques" vient ainsi proposer de nouvelles et plus nombreuses configurations architecturales (préformes) des matériaux composites.

Les contraintes environnementales poussent également les industriels à développer des matériaux composites à renforts végétaux. Les fibres traditionnellement utilisées dans les renforts des composites (fibres de verre, carbone, ...) se voient substituer par des fibres naturelles d'origine végétale issues des plantes ou de la cellulose (fibres de bois, chanvre, ...), offrant des propriétés adaptées : faibles densités, bonnes propriétés mécaniques, faibles coûts...

Améliorer le confort acoustique et l'environnement Sonore

La réduction des nuisances sonores est un enjeu majeur pour l'industrie mécanique. Le Laboratoire Roberval participe à l'effort de recherche dans ce domaine en développant en relation avec le secteur automobile dans le cadre du pôle de compétitivité à vocation mondiale i-Trans et avec le secteur aéronautique dans le cadre de l'Initiative de recherche dans le cadre de l'optimisation acoustique aéronautique (IROQUA) des outils numériques et expérimentaux sur les thèmes vibroacoustique et aéroacoustique.

On s'intéresse dans ce contexte au développement de systèmes originaux intégrés dans les nacelles permettant la réduction et le contrôle du bruit rayonné par les moteurs d'avions ou dans les systèmes de refroidissement automobile. Ces recherches, basées sur des expériences réalisées sur des bancs d'essai originaux et des modèles numériques développés au Laboratoire dans le cadre de programmes européens, bénéficient du support constant de Valéo Thermique Habitacle, de SAFRAN MA, TURBOMECA et du CNRS. Ces travaux ont conduit au dépôt d'un Brevet Snecma-CNRS-UTC.

Contact

Directeur du laboratoire ROBERVAL
Jérôme Favergeon
Tél : 03 44 23 45 33 | Contacter par mail

La Recherche à l'UTC

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