• Aucun résultat trouvé

Notons qu’animer le r´ eseau jusqu’` a obtenir une convergence compl` ete n’est pas toujours

Fig.3.16 – Ainsi qu’on peut le constater, les d´eformations obtenues d´ependent notablement

du nombre de noeuds “accroch´es” par les outils. `A gauche, la position initiale. Au centre, un

seul nœud a ´et´e d´eplac´e par chacun des outils, tandis qu’`a droite, les outils (de mˆeme taille,

mais l´eg`erement d´ecal´es) ont d´eplac´e deux nœuds chacun.

la meilleure solution. L’´etat d’´equilibre du r´eseau ne d´epend pas des masses des nœuds du

r´eseau, et assez peu des raideurs des diff´erents ressorts. Pour mieux prendre en compte les

effets dus aux variations de densit´e du mat´eriau, il pourrait ˆetre int´eressant de ne faire qu’un

nombre mod´er´e de pas en direction de la convergence (ainsi, les zones souples du mat´eriau, o`u

la raideur des ressorts est plus faible, seront moins d´eplac´ees que celles o`u la mati`ere est bien

compacte, et plus rigide). La difficult´e r´eside dans le fait que le nombre de pas `a effectuer est

tr`es difficile `a choisir, et ce choix d´epend par ailleurs largement de l’´echelle consid´er´ee. Nous

n’avons gu`ere de solution `a proposer `a ce probl`eme.

Une autre difficult´e que l’on peut rencontrer dans la simulation est l’apparition

d’oscil-lations. En l’absence d’amortissement, le r´eseau est prompt `a vibrer, selon diff´erents modes

d’oscillation difficilement contrˆolables. Pour peu que la simulation s’arrˆete au mauvais

mo-ment, le r´esultat peut ˆetre une r´eponse plus importante aux contraintes que les contraintes

elles-mˆemes ! Paradoxalement, les qualit´es de stabilit´e de la m´ethodeEuler implicitela rendent

particuli`erement sensible `a ces effets d’oscillation. Des m´ethodes plus simples (la m´ethode

clas-sique d’Euler, ou celle de Runge-Kutta) donnent de moins bons r´esultats, mais qui grˆace `a

leurs d´efauts se trouvent g´en´erer moins de situations de ce genre.

3.5.4 Limitations de cette approche

En d´efinitive, nous avons trouv´e tr`es difficile, pour ne pas dire impossible, d’obtenir

un champ de d´eformation satisfaisant avec cette m´ethode, qui pourtant nous avait sembl´e

int´eressante `a l’origine. La construction d’un nouveau r´eseau `a chaque instant est coˆuteuse,

et le r´eseau obtenu souvent imparfait, voire inadapt´e pour repr´esenter correctement le solide.

La relaxation pose quant `a elle nombre de probl`emes th´eoriques, et consomme beaucoup

de temps de calcul pour un r´esultat pas toujours convaincant. Si les oscillations du r´eseau sont

g´en´eralement recherch´ees, par exemple dans le cas de la simulation d’un mat´eriau ´elastique,

elles sont un r´eel probl`eme pour nous. Ces difficult´es pourraient ˆetre surmont´ees en cherchant

directement une solution statique au probl`eme : calculer directement la position d’´equilibre

du r´eseau masses-ressorts (ou bien d’´el´ements finis) compatible avec le mouvement des outils.

Les quelques essais que nous avons faits dans cette direction laissaient entrevoir des difficult´es

en termes de temps de calcul (la construction du r´eseau est d´ej`a coˆuteuse, la d´etermination

de la position d’´equilibre requiert quant `a elle des calculs matriciels importants). Par ailleurs,

nous avons d´ej`a signal´e qu’il n’´etait pas n´ecessairement pr´ef´erable d’aller jusqu’`a l’´equilibre

complet du r´eseau.

Peut-ˆetre peut-on esp´erer trouver une solution en employant plutˆot des particules

inter-agissantes, et utiliser certaines techniques de FFD pour en d´eduire le champ de d´eformation.

Il se posera cependant certains probl`emes, comme l’ensemencement du volume avec ces

parti-cules (qui pourrait vraisemblablement ˆetre r´ealis´e `a partir de la grille de densit´e du mat´eriau),

leur mise `a jour, et surtout leur fa¸con de r´eagir avec les outils. Nous n’avons pas poursuivi

dans cette voie, mais avons pr´ef´er´e envisager les choses sous un angle diff´erent.

3.6 Retour sur les mod`eles de fluides

3.6.1 Le second terme de l’´equation de Stokes

Nous allons `a pr´esent nous pencher plus avant sur l’action du second terme de l’´equation

de Navier-Stokes, dont nous avions dit qu’il r´egissait la diffusion des vitesses dans le mat´eriau.

En ne gardant que ce terme dans l’´equation deNavier-Stokes, on obtient :

∂u

∂t =νu. (3.15)

Si l’on consid`ere une ligne de courant rapide entour´ee de couches plus lentes, le laplacien

du champ de vitesse n’est pas nul. Le terme qui nous int´eresse `a pr´esent aura pour effet de

freiner la ligne de courant rapide, tout en acc´el´ererant les couches adjacentes, plus lentes. Cet

effet trouve son origine dans l’´echange de particules entre les couches : certaines particules

rapides quittent la couche rapide pour les couche lentes, augmentant la vitesse moyenne de

ces derni`eres, et inversement.

C’est donc `a tous niveaux un probl`eme de diffusion des vitesses, ainsi que le laissait

sugg´erer la forme prise par l’´equation 3.15. Plus le mat´eriau est visqueux (se traduisant par un

νimportant), plus cette diffusion sera rapide. Les mat´eriaux avec lesquels nous travaillons ont

une viscosit´e cin´ematique tr`es importante, de sorte que cet effet est pratiquement instantan´e.

Un travail aux dimensions indique en effet que le temps n´ecessaire pour atteindre le r´egime

permanent est de l’ordre de3 :

[t] = [d]

2

ν . (3.16)

Les temps n´ecessaires `a l’´etablissement du r´egime permanent sont donc bien inf´erieurs aux

pas de la simulation (quelques dizaines de pas par seconde). Nous pouvons donc admettre que

3

Il est d’usage, dans le domaine de la m´ecanique des fluides, d’estimer par exemple les temps caract´eristiques

d’un ´ecoulement en estimant l’ordre de grandeur de chacune des quantit´es (voir par exemple [LL86]). Ici, dans

l’´equation 3.15, nous assimilerons par exemple la vitesse u `a un terme de la forme

[d][t]

o`u [d] est une taille

caract´eristique de l’´ecoulement, et [t] un temps caract´eristique. ∆udevient quant `a lui

[t][d][d]2

, et ainsi de suite.

Etant donn´e qu’on peut envisager plusieurs “distances caract´eristiques” (taille de l’objet, taille des d´etails,

taille d’une cellule), nous utiliserons dans l’´equation 3.16 le cas le plus d´efavorable, autrement dit la dimension

la plus grande, celle de l’objet tout entier. Mˆeme dans ce cas d´efavorable, le temps caract´eristique ainsi obtenu

reste bien inf´erieur de plusieurs ordres de grandeur au pas de simulation.

durant l’essentiel du temps que dure un pas de simulation, le champ de vitesse correspond

`

a celui que l’on obtient une fois que le r´egime permanent a ´et´e atteint. Dans ce r´egime

permanent, les vitesses n’´evoluent plus, et le champ de vitesse doit donc v´erifier :

∂u

∂t =0=νu. (3.17)

Le champ de vitesse que nous recherchons devrait donc v´erifier ∆u =0 partout au sein

du mat´eriau, et naturellement satisfaire les conditions aux limites. Celles-ci imposent que le

mouvement au voisinage des outils soit semblable au mouvement de ces derniers. En l’absence

de toute condition aux limites particuli`eres (par exemple dans le cas d’un objet isol´e, ou bien

encore manipul´e par un seul outil, et en l’absence de toute force ext´erieure comme son propre

poids), on retrouve la solution u = cste, signifiant que les vitesses sont rapidement toutes

identiques `a l’interieur du mat´eriau, qui se comporte alors comme un objet rigide. C’est ce

qui nous avait pouss´e, dans le paragraphe pr´ec´edent, `a annuler les vitesses `a l’int´erieur du

mat´eriau `a chaque ´etape, nous affranchissant ainsi de tout effet inertiel.

3.6.2 Approches pour la r´esolution

Pour r´esoudre cette ´equation ∆u=0 et obtenir le champ de vitesse dans du mat´eriau, il

existe plusieurs m´ethodes. La plus simple est de simuler effectivement la diffusion sugg´er´ee par

l’´equation 3.15, et d’appliquer cette formule jusqu’`a la convergence. Les vitesses des cellules

sous l’influence d’un outil voient leur vitesse impos´ee comme ´egale au mouvement de l’outil

correspondant, tandis que les autres ´evolueront selon la loi ∂tu =ν∆u.

´

Evidemment, les choses ne se passent jamais aussi ais´ement, la convergence n’´etant pas

ais´ee `a ´etablir. Le choix du bon pas de temps, en particulier, est crucial si l’on veut ´eviter

toute instabilit´e du mod`ele. `A cause des valeurs importantes que peut prendre la viscosit´e

cin´ematique ν, les d´eriv´ees obtenues sont en effet rapidement tr`es grandes. En outre, pour

qu’une vitesse `a une extr´emit´e du mat´eriau soit diffus´ee jusqu’`a l’autre cˆot´e de celui-ci, il

faudra appliquer `a l’ensemble du mat´eriau au moins autant d’´etapes de simulation qu’il n’y

a de cellules entre ces deux extr´emit´es, et vraisemblablement beaucoup plus. On retrouve

en fait ici la condition de Courant-Friedrichs-Lewy´evoqu´ee pr´ec´edemment, qui limite

large-ment la simulation des fluides tr`es visqueux. Elle pla¸cait en effet une limite sur la vitesse de

propagation de l’information (ici la vitesse) au sein du mat´eriau.

Cette approche est donc largement incompatible, pour l’instant, avec des applications

interactives. Il existe d’autres m´ethodes pour r´esoudre les probl`emes de type ∆u=0, assortis

de conditions aux limites. Par exemple, des m´ethodes utilisant des transform´ees de Fourrier.

Malheureusement, elles font g´en´eralement d’importantes hypoth`eses quant `a la forme du

domaine, ou sur les conditions aux limites de ce dernier. Jos Stam, par exemple, r´esout de

fa¸con directe dans [Sta99] une ´equation en tous points similaire, mais fait l’hypoth`ese pour

cela d’un espace de travail cubique, aux conditions aux limites nulles ou p´eriodiques. Bien

´evidemment, ces hypoth`eses ne s’appliquent pas au cas qui nous occupe.