Conception assistée par ordinateur GPA445 _____________________________________________________________ Modélisation géométrique La maquette numérique Préparé par Antoine Brière-Côté

Conception assistée par ordinateur

GPA445 _____________________________________________________________

Modélisation géométrique

La maquette numérique

Préparé par Antoine Brière-Côté

Été 2013 Préparé par A. Brière-Côté p 1

Plan – Maquette numérique

Introduction Conception de produit et maquette numérique

Phases de conception en CAO

Modes de conception en CAO Par assemblage, dans l’assemblage, piloté

Construction des ensembles: contraintes d’assemblage Approche géométrique

Approche cinématique

Exploitation des maquettes numériques Exploitation

Simulations

Été 2013 Préparé par A. Brière-Côté 2

Introduction

Les outils de CAO ne s’arrêtent plus au simple modèle 3D de représentation volumique du produit;

Réduction de la durée de mise au point du produit grâce aux simulations relatives à: Pré-dimensionnement de systèmes et de pièces,

Analyse des comportements dynamique, thermique, acoustique, etc.

Analyse de faisabilité de mise en œuvre de la fabrication;

Maquette numérique (MN) – Digital Mock-Up (DMU) Ensemble des représentations informatiques qui ont permis la conception du

produit;

Même si le modèle 3D en constitue le composant central, la maquette numérique ne se limite pas à la seule représentation volumique d’un produit.


Introduction

Maquette numérique d’un produit Ensemble de données numériques qui a accompagné « l’idée » du besoin

à sa matérialisation;

Outil indispensable aux concepteurs;

Noyau central de l’équipe produit, mêlant une multitude d’acteurs dont les besoins sont différents autour d’un même objet: le produit;

Permet aux différents intervenants spécialistes (concepteur, bureaux de calculs, fabricants, etc.) de dialoguer, d’échanger des données, des renseignements et des résultats;

Permet de formaliser la réflexion des équipes de techniciens à chaque étape de la vie du produit.


Maquette numérique d’un produit Prend divers états tout au long du processus de conception;

Doit permettre d’éliminer au maximum les sources de non-qualité rencontrées lors de la fabrication et l’utilisation du produit;

À la base, permet de réduire la nécessité de passer par des prototypes coûteux en simulant virtuellement « en amont ».

Introduction


TARAUD, D. et G. GLEMAREC (2008). Le Guide de la CAO, Dunod, Paris, 180 pp.

Maquette numérique

de conception de définition d’industrialisation

Objectifs

Simulations

Recherche Architecture

Formes et dimensions Construction

Mécaniques

Choix matériau/procédé Formes et dimensions Définition de produit

Réalisation

Dossier de fabrication Gestion du projet et des évolutions

Commercialisation

Production

Flux de renseignements

Introduction

États de la maquette numérique lors de la création du produit:



Maquette numérique

Schémas Contraintes

CdCf

Architecture Principes

Schémas Architecture

CdCf

Éléments Composants Constituants

Construction Assemblage Paramétrage

Méthodologies Procédures de

création

Topologie Conditions

fonctionnelles Paramétrage

Contraintes Performances

Conditions et cotation

fonctionnelles

Plans d’ensembles 2D

Spécifications Réalisation

Dessins de définition

Maintenance Utilisation

Éclatés, Écorchés…

Marketing Catalogue

Images photo réalistes, vidéos…

Configurations Exploitations


Le cycle de vie du produit est souvent représenté par la spirale de vie, comportant des étapes à la marketing, de conception, de fabrication, d’utilisation et de reconception.

Du point de vue CAO, le discours s’appuie sur une spirale limitée à la vie industrielle virtuelle (maquette numérique) et physique du produit:


TARAUD, D. et G. GLEMAREC (2008). Le Guide de la CAO, Dunod, Paris, 180 pp. Émission du besoin

Cahier des charges fonctionnel

Conception

Industrialisation

Production Vie série

Évolutions mineures

Évolution du besoin

Cahier des charges fonctionnel

Conception Vie primaire

virtuelle

Vie secondaire virtuelle


Vie primaire virtuelle: Inclut toute la conception primaire du produit jusqu’à la phase

d’industrialisation – fabrication qui précède sa mise en marché;

On donne vie à l’idée qui répond au besoin du client;

Les phases qui jalonnent cette étape vont comporter: La validation de l’architecture,

Des simulations mécaniques, esthétiques, des procédés de fabrication, etc.

Vie secondaire virtuelle: Inclut les phases de conception liées aux modifications et évolutions du

produit;

La matière d’œuvre du concepteur n’est plus que le seul cahier des charges qui précise le besoin, mais toute la maquette numérique provenant de la vie primaire du produit;

Nécessite la mise en place d’une approche méthodologique différente garantissant la continuité numérique de la maquette.




Demande, projet

Besoin, analyse fonctionnelle et

cahier des charges fonctionnel

Maquette numérique Projet global CAO




Demande, projet



Conception préliminaire

Maquette numérique de conception préliminaire du

produit

Maquette numérique

Modeleur CAO •Définition des principes

physiques et mécaniques •Études de pré

industrialisation

Simulations •De comportement:

études cinématiques, dynamiques, résistance •D’un procédé: validations

d’un matériau, des formes et des dimensions




Demande, projet





produit

Conception détaillée

Maquette numérique de conception

détaillée du produit

Maquette numérique

Modeleur CAO •Définition de chaque pièce

fabriquée selon un procédé •Définition des outillages associés •Dossier de définition du produit

(spécification de chaque pièce fabriquée)

Simulations •Des comportements : études

cinématiques, dynamiques, résistance •Des procédés: validations de formes, des

dimensions et de l’outillage associé •Du processus de fabrication: validations

de l’assemblage, conditionnement



Demande, projet





produit

Conception détaillée

Maquette numérique de conception

détaillée du produit

Conception d’évolution

Maquettes numériques

modification et d’évolution du

produit

Maquette numérique

Modeleur CAO • Intégration et gestion des

évolutions et des modifications du produit

Simulations •Du comportement •De pré industrialisation •De définition de pièce •Des outillages associés •De processus de fabrication

Modes de conception en CAO

Un mécanisme est un assemblage de pièces élémentaires qui peuvent éventuellement être regroupées dans des assemblages partiels ou sous-assemblages;

En CAO, la construction de la MN exige donc une approche double:

Celle de la construction des pièces,

Celle de leur assemblage;

Autant en situation de création que de modification d’un mécanisme, le concepteur dispose de trois modes fondamentaux de conception:

Par assemblage ou Bottom-Up,

Dans l’assemblage ou latéral,

Piloté ou Top-Down.


Pièce 2 .

Pièce 3 .

Pièce 1 .


Par assemblage, ou Bottom-Up

Créer chaque pièce en dehors d’un contexte d’assemblage puis les assembler

pour constituer une maquette fonctionnelle;

Mode séquentiel où la définition des pièces devance la construction du

mécanisme.



Besoin, Cahier des

charges, Choix d’un

principe de solution

Esquisses

Esquisses

Esquisses

Formes volumiques

Formes volumiques

Formes volumiques

Ensemble Croquis









Dans l’assemblage, ou Latéral

Alterner phases de conception de pièces et de construction d’assemblage;

Mode itératif s’appuyant sur la construction d’une première pièce – la pièce la plus représentative et « au cœur » de l’assemblage.



Pièce 2 .

Pièce 3 .

Pièce 1 .

Besoin, Cahier des



Esquisses

Esquisses

Esquisses

Formes volumiques

Formes volumiques

Formes volumiques

Ensemble Croquis


Dans l’assemblage, ou Latéral




Piloté, ou Top-Down

Travailler directement à partir d’un « guide fonctionnel » qui peut être un

schéma, une esquisse particulière, dite pilotante, un squelette de

mécanisme, etc., sur laquelle pour s’appuyer la définition des formes et

dimensions des pièces constitutives;

Squelette: inclut des informations géométriques sous la forme de plans,

lignes, points, repères, surfaces et solides; considéré comme une pièce ou

ensemble sans masse faisant l’objet de copies géométriques dans les

composants destination.

Mode permettant de…

Modifier très simplement la MN réalisée en modifiant le squelette,

Paramétrer un mécanisme,

Prévoir ses évolutions,

Effectuer des simulations de fonctionnement et de comportement, etc.






Pièce 2 .

Pièce 3 .

Pièce 1 .

Besoin, Cahier des



Esquisses

Esquisses

Esquisses

Formes volumiques

Formes volumiques

Formes volumiques

Ensemble Squelette Croquis









Exemple de squelette en aéronautique



Exemple de squelette en aéronautique


Conception pilotée

(Top-down)

Conception par

assemblage (Bottom-up)

Conception dans

l’assemblage (Latéral)


Comparaison des modes



Situations de conception

Modes de conception

Conception de création

Conception de modification

Pas ou peu adaptée

Pas adaptée

Très adaptée

Adaptée

Adaptée Très

adaptée


Récapitulation…

Privilégier, dans la mesure du possible, la conception des pièces:

Principales en mode piloté;

Secondaires en mode dans l’assemblage;

Annexes et standard en mode par assemblage.

Retenir le mode de conception le plus économique globalement en

tenant compte des contraintes de paramétrage et d’évolution du produit

en cours de conception.

Et dans Solid Edge?


Construction de la MN

Contraintes d’assemblage

Un ensemble regroupe une multitude de composants organisés et mis en relation à l’aide de contraintes spatiales de positionnement et d’orientation;

Il répond à un besoin fonctionnel particulier correspondant à une ou plusieurs fonctions techniques du produit auquel il participe;

Un ensemble est associé à un fichier d’assemblage comprenant toutes les informations d’organisation et de localisation des fichiers descriptifs des composants qui participent à sa définition;

Il est organisé autour des informations contenues dans son squelette élémentaire:

Trois plans orthogonaux

Trois axes orthogonaux


Une origine

Un repère


Contraintes d’assemblage (suite) Chaque composant placé dans un ensemble possède par défaut six

degrés de liberté:

Trois rotations (autour de X, Y, Z),

Trois translations (selon X, Y, Z);

L’objectif du travail du concepteur, dans l’environnement d’assemblage, est de définir l’état de contrainte de chacun des composants;

L’état de contrainte d’un composant est la configuration de restrictions d’assemblage qui lui permet de conserver des degrés de liberté conformément aux intentions du concepteur.



Contraintes d’assemblage (suite) Une contrainte d’assemblage est une relation de type géométrique ou

cinématique qui permet de définir la position et l’orientation d’un composant relativement à d’autres composants;

Sa mise en place nécessite l’utilisation de combinaisons d’objets tels:

Des points: points de construction, sommets;

Des lignes: axes de construction, géométrie d’esquisses, arêtes;

Des plans: plans de construction, faces planes;

Des surfaces de construction ou faces de formes quelconques.



Contraintes d’assemblage (suite) La définition des contraintes d’assemblage peut se faire suivant trois

approches:

Géométrique: composants placés les uns par rapport aux autres par relations géométriques entre objets de leurs représentations; Exemples: Coïncidence, coaxialité de plans, lignes, etc.

Cinématique: met en œuvre la définition de liaisons cinématiques par l’association d’objets descriptifs de ces liaisons; Exemples: Pivots, Glissières, Rotules, etc.

Mixte: utilise des relations purement géométriques pour définir les relations d’assemblage entre composants et des relations cinématiques entre les classes d’équivalence.



Contraintes d’assemblage (suite) Approche géométrique – contraintes élémentaires

Mise en coïncidence géométrique simple (objets et repères)


Combinaison Point/Point

Combinaison Point/Ligne

Combinaison Point/Plan






Combinaison Ligne/Ligne

Combinaison Ligne/Plan






Combinaison Plan/Plan




Intervention de notions de distance, d’angle, de parallélisme, de tangence, etc.

Dans Solid Edge, une distance peut être pilotante (fixe), pilotée (flottante) ou définie sur un intervalle (plage).


Coïncidence de face avec directions normales opposées

Coïncidence de face avec directions normales identiques





Contrainte angulaire

Contrainte de tangence



Contraintes d’assemblage (suite) Approche géométrique – contraintes avancées

Certains logiciels CAO proposent des contraintes avancées permettant d’obtenir un état de contrainte d’un composant par rapport à un autre en une seule action qui combine l’effet de deux autres.




Contraintes d’assemblage (suite) Approche géométrique – relations complexes

Contrainte de transformation de mouvement, complétée par des rapports de transformation associés: Type pignon – roue en contact interne ou externe

Type pignon – crémaillère

Type transmission par poulies – courroies




Contraintes d’assemblage (suite) Approche géométrique – relations complexes

Contrainte de came: les courbes ou surfaces en contact permettent de placer des lois d’évolution de mouvement entre les deux composants.




Contraintes d’assemblage (suite) Approche cinématique

Mise à la disposition du concepteur des contraintes de liaison de type cinématique.

Types de liaisons correspondant aux liaisons utilisées pour la réalisation de schéma cinématique: Ponctuelles

Pivot

Pivot glissant

Glissière

Linéaire

Linéaire annulaire

Permettent de définir une représentation du produit qui prend en compte les intentions cinématiques réelles voulues, utilisable directement dans des outils de simulation dynamique sans retouche importante du modèle.


Sphérique

Appui plan

Sphérique à doigt d’axe

Hélicoïdale

Encastrement




Agati, Pierre, Frédéric Lerouge et Marc Rossetto. 2001. Liaisons, mécanismes et assemblages : cours, exercices et applications industrielles avec MECA3D sous SOLIDWORKS et MECAmaster, 2e éd. Paris: Dunod, viii, 359 p.

Nature liaison et repère associé

Schématisation spatiale Torseur

transmissible

Forme particulière conservée

Torseur cinématique








transmissible




C:/Users/acote/Documents/01_Doctorat/Charge de cours/GPA445/2013_1/Cours magistral/09 - Maquette numérique/Vidéos/Charnière.avi







transmissible




C:/Users/acote/Documents/01_Doctorat/Charge de cours/GPA445/2013_1/Cours magistral/09 - Maquette numérique/Vidéos/Queue d'arronde.avi







transmissible




C:/Users/acote/Documents/01_Doctorat/Charge de cours/GPA445/2013_1/Cours magistral/09 - Maquette numérique/Vidéos/Vis_Écrou.avi







transmissible










transmissible




C:/Users/acote/Documents/01_Doctorat/Charge de cours/GPA445/2013_1/Cours magistral/09 - Maquette numérique/Vidéos/Joint Cardan.avi







transmissible










transmissible




C:/Users/acote/Documents/01_Doctorat/Charge de cours/GPA445/2013_1/Cours magistral/09 - Maquette numérique/Vidéos/Curling.avi







transmissible










transmissible





Contraintes d’assemblage (suite) Approche mixte – Exemples d’équivalence de classes


OU

(Point/Point)

Assemblage complexe géométrie/contraintes

Exploitation de la MN

Le post-traitement des MN est une phase qui se développe après la validation d’un projet défini par sa MN;

Il permet de produire des documents particuliers destinés à faciliter la réalisation et l’utilisation du produit conçu;

Ces exploitations s’intègrent naturellement dans le cycle de vie du projet en générant de façon fortement assistée des documents techniques souvent indispensables;

À cette étape, l’augmentation de la productivité du bureau d’études tient de l’automatisation de la création et de la régénération des documents suite à toute demande de modification à apporter dans la maquette numérique.



Phases d’exploitation de la maquette numérique:


Plans d’ensembles 2D

Dessins de définition

Éclatés, Écorchés…

Images photo réalistes, vidéos…

Modifications Adaptations

Projet


Réalisation

Maquette numérique

Conditions et cotation

fonctionnelles, nomenclature

Plans des pièces,

spécifications de réalisation

Maintenance, SAV

Utilisations, mode d’emploi

Marketing, catalogue

Documentation, formation…

Utilisation

Exploitation d’une maquette numérique


Simulations associées à la maquette numérique:


Études statiques,

cinématiques, dynamiques

Simulations des comportements

mécaniques

Simulations des comportements

physiques

Simulations de la relation formes,

dimensions, procédés

Simulation de la fabrication du produit

Modifications Adaptations

Projet


Définition, réalisation et

validation produit Maquette

numérique

Études hydrauliques,

optiques, sonores…

Optimisation de la relation

produit-matériau-procédé

Process de production,

assemablges, contrôles Gestion et production du

produit

Simulations associées à une maquette numérique

Simulation de la production du produit

Organisation de la production,

gestion de la qualité




Exemple d’étude comparative par simulation

Préparé par A. Brière-Côté 55


Maquette numérique

Exemple d’une maquette numérique d’un avion

Été 2013



Cinématique


Été 2013



Fabrication


Été 2013




Comportement

statique

Été 2013




Programmation

Contrôle

numérique

Été 2013




Outillage

Été 2013




Qualité

Été 2013




Méthodes

Été 2013




Ergonomie

Été 2013




Maintenance

Été 2013




Production

Été 2013




Finition

d’intérieurs

Été 2013