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19me Congrs Franais de Mcanique Marseille, 24-28 aot 2009

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Structuration fonctionnelle dune base de composants en conception prliminaire

M. SALLAOUa,b, J. PAILHESa,c,d, J. -P. NADEAUa,c,d

a. Arts et Mtiers ParisTech , Laboratoire TREFLE, Esplanade dArts et Mtiers, Talence Cedex, F33405, France

b. ENSAM-Mekns, BP 4024, Mekns, Ismalia, Maroc c. CNRS, Talence Cedex, F33405, France

d. Universit de Bordeaux, Talence Cedex, F33405, France

Rsum : La conception est lactivit de transformation dexigences fonctionnelles en paramtres de conception. Notre article prsente une mthode de structuration du problme de conception exploitant des connaissances dj existantes et matrises. Lanalyse nergtique propose conduit la dfinition structurelle du produit et la dfinition dune base de fonctions et de composants. Cette dmarche permet une mise en uvre efficace des modles doptimisation en conception prliminaire.

Abstract : The design activity is the transformation of functional requirements into design parameters. This article presents a structuring method for the design problem exploiting existent and mastered knowledge. The proposed energy analysis leads to the structural definition of the product and the definition of a basis of functions and components. This approach allows efficient implementation of optimization models in preliminary design.

Mots-clefs : conception prliminaire, base de connaissances, analyse nergtique

1 Introduction La conception de produits est une activit cratrice qui, partant des besoins exprims et des connaissances existantes, aboutit la dfinition dun produit satisfaisant ces besoins et industriellement ralisable. Selon Suh, la conception est vue comme linteraction entre ce que nous voulons raliser ; c'est--dire la transformation dexigences fonctionnelles en paramtres de conception [1]. Lanalyse de lactivit de la conception fait apparatre diffrents types et approches selon les habitudes des concepteurs et le contexte industriel concern. Dans ce sens, plusieurs travaux de recherche se sont intresss dvelopper des mthodes permettant dorganiser le processus de conception et des outils supportant les diffrentes tches de ce processus. Pahl et Beitz dfinissent lapproche squentielle et systmatique de conception et distinguent quatre tches : lanalyse et structuration du besoin (Product planning and clarifying the task), la recherche de concepts (Conceptual design), la conception architecturale (Embodiment design) et la conception dtaille (Detail design) [2]. Nous adopterons dans notre travail la dcomposition systmatique en phases de conception. Nous utiliserons pour notre part le terme de conception


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prliminaire, qui recouvre la fois la phase de recherche de concepts (conceptual design) et de conception architecturale (embodiment design) [3]. Dans cette phase, il est ncessaire dexploiter des connaissances dj existantes et matrises pour leur rutilisation afin damliorer et de faciliter la tche de conception. Cependant, la difficult rside dans leur formalisation et leur structuration. Dans ce sens, plusieurs travaux de recherche se sont intresss cet aspect et particulirement la standardisation du langage pour la dfinition des fonctions, selon les objectifs viss [4, 5, 6, 7], en mettant en place des bases de fonctions qui soient la fois restreintes et exhaustives.

2 Contexte Dans lobjectif de mettre en place des outils daide la conception prliminaire, lune des voies de recherche est la mise en place de bases mettant disposition des concepteurs les connaissances ncessaires pour explorer diffrentes solutions et mettre les bons choix. Cette structuration concerne les connaissances utilises pour dfinir une architecture du produit partir dun besoin client. Elles sont donc lies la vision fonctionnelle pour lidentification des fonctions du produit et de ces composants, la vision structurelle pour le choix de composants constituant le produit et leur architecture et la vision comportementale pour le pr-dimensionnement des diffrentes alternatives de conception. La fonction est dfinie comme tout mcanisme par lequel les transformations d'un lment de base "nergie, matire et signal" en un autre se produisent dans une entit [8]. Cette dfinition est utilise pour lexpression des fonctions diffrents niveaux de dcomposition fonctionnelle. La modlisation fonctionnelle est un processus de dcomposition de la fonction globale d'un produit en sous-fonctions. Ces dernires sont exprimes dans un vocabulaire standard connu sous le nom de base fonctionnelle. La base fonctionnelle est un ensemble de fonctions et de flux avec des dfinitions prcises qui sont combines dans la forme (verbe + complment) pour dcrire une sous-fonction. Une base, fruit de la combinaison des travaux de Stone et al [5] et de Szykman et al [4], est propose dans la littrature [9]. La classification des flux, en trois catgories (nergie, matire, signal), est conforme celle utilise par Pahl et Beitz [2]. Les classes et la catgorisation basique des fonctions et des flux sont donnes dans [9]. Le flux fonctionnel associ la ralisation de la fonction est toujours un flux dnergie quil fasse intervenir, lnergie, la matire et un signal. Si nous partons de cette remarque, nous pouvons proposer une vision systmatique de la notion de transformation dnergie au sens fonctionnel. Nous allons dfinir par la suite une taxonomie qui permet de construire une base de connaissances de composants base sur lnergie, sa transformation et sa transmission selon les composants.

3 Construction de la base fonctionnelle

3.1 Analyse par lvolution du flux fonctionnel Lanalyse des composants partir des flux dnergie, rcapitule figure 1, permet de les rduire deux grandes familles : les convertisseurs qui changent le type dnergie et les transmetteurs qui conservent le type dnergie.

FIG. 1 Visions fonctionnelles dun convertisseur et dun transmetteur.

Transmetteur Energie Etat 2 Energie Etat 2 Convertisseur Energie Etat 1 Energie Etat 2


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Dans le cas dune pompe hydraulique, elle peut tre vue sous deux angles fonctionnels :

- Fonction transformer la puissance mcanique en puissance hydraulique , il sagit dun convertisseur dnergie (figure 2.a).

- Fonction Transporter un fluide , il sagit dun transmetteur dnergie hydraulique (figure 2.b). Le transport du fluide ncessite un apport dnergie mcanique.

(a) (b)

FIG. 2 Composant pompe hydraulique vu en tant que convertisseur (a) ou transmetteur (b) (le flux fonctionnel est en trait gras)

3.2 Organisation structurelle (composants) Le problme de structuration organique systmatique dun produit nest pas rsolu. Cette arborescence produit est souvent vue comme un dcoupage mtier par mtier ou un dcoupage par niveaux, avec des critres fonctionnels. La loi dintgralit des parties, dfinie par la mthode TRIZ [10] et reprise par Nadeau et al [11], permet de distinguer, pour un systme donn, quatre lments principaux essentiels la ralisation de la fonction (ou les fonctions) requise (s). Cette loi, exprime figure 3, stipule que la ralisation dune fonction est issue de la transformation dune nergie (Convertisseur C), cette nergie est ensuite transmise (transmetteur T), un oprateur (O) ralise ensuite laction. Le dernier composant permet le contrle et la commande de laction.

FIG. 3 Loi dintgralit des parties.

Ces composants doivent tre lis entre eux et un support (rfrence), cest le rle des composants dinteraction. De surcrot, la source dnergie peut tre interne ou externe. Nous distinguerons donc pour dfinir un systme :

- Une source dnergie (si elle est interne au systme), - Des composants fonctionnels (convertisseur, transmetteur, oprateur), - Des composants de contrle commande, - Des composants dinteraction. - Des composants de liaison la rfrence,

Nous pouvons ainsi dfinir les composants et les classes de fonctions associes : - Source (S): Elle permet de fournir et de stocker de lnergie. - Convertisseur (C): il convertit (transformer) lnergie importe de la source en

nergie utilisable par les autres composants du systme (lnergie ltat 1 lentre et ltat 2 la sortie).

Convertisseur Transmetteur Oprateur

Contrle

Energie dentre Action

Pompe Hydraulique

Flux nergie hydraulique

Flux nergie mcanique Flux nergie hydraulique

Pompe Hydraulique

Flux nergie hydraulique Flux nergie hydraulique

Flux nergie mcanique


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- Transmetteur (T): permet de transmettre lnergie loprateur sans changement du type (mme tat 2 lentre et la sortie). Cependant, il peut agir en changeant les paramtres pertinents de cette nergie pour les adapter aux contraintes de loprateur. (exemple : pour un systme olien le multiplicateur permet dadapter lnergie mcanique du rotor la gnratrice en augmentant la vitesse de rotation).

- Oprateur (O): permet de raliser laction requise par le systme en utilisant lnergie de sortie du transmetteur. Lnergie la sortie de loprateur peut tre :

- soit ltat 3 diffrent de ltat 2, dans ce cas loprateur est un convertisseur, - soit ltat 2 ce qui correspond un transmetteur. - Contrle Commande (C/C): permet de garantir la bonne ralisation des fonctions

des diffrents composants. Gnralement, un lment de contrle permet dvaluer les ventuels effets induits et un lment de commande permet la correction. Ces composants peuvent tre dcomposs, de la mme manire, en identifiant un convertisseur, un transmetteur et un oprateur et des composants dinteraction.

- Composants dinteraction (CI): permettent de raliser les liens entre les diffrents composants et transmettent les flux (nergie, matire, signal) gnrs leurs interfaces.

- Composant de liaison la rfrence (Rf) : ils permettent de positionner les diffrents composants par rapport la rfrence. Ce sont des composants dinteraction entre un composant et une rfrence de niveau suprieur, se sont exclusivement des transmetteurs. Cette rfrence peut tre externe au systme pour une rfrence globale au niveau 0 ou interne au systme pour un niveau systmique donn

Nous proposons ainsi sur la figure 4 une vision systmatique de lorganigramme technique dun produit. Ce schma peut se reproduire des niveaux systmiques infrieurs en prcisant la dcomposition des convertisseurs. Les transmetteurs ne peuvent se dcomposer quen transmetteurs. Les composants dinteraction doivent tre prciss chaque niveau. Ils sont souvent standardiss et leurs choix sont imposs aux constructeurs.

FIG. 4 Dcomposition dun systme et tats dnergie correspondants.

3.3 Base de fonctions et composants Le raisonnement en terme de flux dnergie permet, travers les fonctions lies aux flux

principal, davoir une premire organisation des composants, qui sera complte par lanalyse des interactions entre composants et des effets induits rsultant.

Source (S)

Convertisseur (C)

Transmetteur (T)

Oprateur (C ou T)

Rfrence Contrle/ Commande

(C, T)

Energie Etat 1

Energie Etat 3 ou

Etat 2

Energie Etat 2

Energie Etat 2

Systme


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La correspondance fonctions/composants nest pas facile du fait que cette correspondance nest pas bijective. En effet, un composant peut raliser plusieurs fonctions et une fonction peut tre ralise par diffrents types de composants. Dans la vision nergtique, notre dmarche permet de trouver des composants dans une base par lassociation de la logique convertisseur/transmetteur et par le raffinement des verbes des classes primaires jusqu la classe quaternaire (Tableau 1). La classe quaternaire regroupe des verbes trs prcis et doit tre complte par des verbes fonctionnels spcifiques au secteur industriel concern.

Classe primaire Classe secondaire Classe tertiaire Classe quaternaire Convertisseur Convertir Transformer

Transmettre Communiquer, conduire, diffuser,.. Augmenter Acclrer, accrotre, agrandir, Diminuer Abaisser, affaiblir, amortir,

Adapter

Changer Modifier, inverser Lier Accoupler, associer, attacher, . Coupler / assembler Joindre Connecter, raccorder, souder,

Importer Amener, apporter, introduire Exporter Communiquer Sparer Cloisonner, couper, dissocier,

Transmetteur

Disperser Dissiper, distribuer Positionner Placer, orienter Fixer Accrocher, adhrer, bloquer,

Permettre ddl Guider en rotation

Transmetteur Liaison la rfrence

Guider

Guider en translation Aiguiller, conduire, diriger Fournir Approvisionner, alimenter,

Collecter capturer, absorber Source

Stocker Contenir Accumuler, emmagasiner Rguler / Rgler Doser, ajuster, asservir Contrler Stabiliser figer Percevoir, prlever Dtecter Reprer, capter

Contrle Transmetteur Convertisseur

Acqurir

Mesurer calculer, comparer, compter, Commander Actionner, exciter, fonctionner, Commande

Transmetteur Convertisseur

Arrter Bloquer, freiner

TAB. 1 Classes de composants et de fonctions (partielles).

Lutilisateur de la base peut ainsi analyser son problme de conception en identifiant les fonctions raliser ou par identification directe des composants participant aux flux fonctionnels. La figure 5 rcapitule cette analyse.

FIG. 5 Premire vision de lutilisation de la base.

4 Conclusion Lanalyse fonctionnelle dun systme permet de structurer en composants particuliers. Nous avons montr que chaque composant en fonctionnement est travers par un flux fonctionnel li la satisfaction de la fonction principale du systme. Ainsi, on a dmontr quun systme et

FS

Identification de FT1, FT2,

Identification de S, C, T, O, Rf, C/C

Choix des composants


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compos de composants particuliers qui assurent sa structuration et son fonctionnement : les convertisseurs et les transmetteurs dnergie. Le passage des flux entre ces composants est assur par des composants dinteraction, qui ne sont donc que des transmetteurs. La liaison avec la rfrence fait aussi intervenir des composants dinteraction. Enfin le bon fonctionnement fait intervenir des composants de contrle commande, eux aussi ntant que des convertisseurs et des transmetteurs. La source dnergie peut provenir des milieux extrieurs ou tre partie intgrante du systme. Cette vision permet de dfinir une base fonctionnelle deux entres, les composants et les fonctions sous forme de verbes daction. Nous utilisons cette base comme lments daide la dcision en conception, elle est lment essentiel dune mthode de conception [12].

Rfrences [1] Suh N. P., (1990), "The principles of design", Oxford University Press, New York,

1990. [2] Pahl G. and Beitz W., (1996), "Engineering design A systematic approach", 2nd

edition, Springer-Verlag, Londres, 1996. [3] Nadeau J. P. and Pailhes J., (2006), "Intgration de l'innovation et des sensations

utilisateur en conception prliminaire par le biais de lanalyse fonctionnelle", Ingnierie de la conception et cycle de vie du produit, Chapitre 2, Trait IC2, ISBN : 2-7462-1214-5, Herms, Paris.

[4] Szykman S., Janusz W., Racz and Ram D. Sriram, (1999), "The representation of function in computer based design", Proceedings of ASME Design Engineering Technical Conferences September 12 15, 1999, Las Vegas.

[5] Stone, R. and Wood, K., (2000a), "Development of a Functional Basis for Design" Journal of Mechanical Design, Vol. 122, No. 4, 2000, pp 359-370.

[6] Yang Bo and Salustri F. A., (1999), "Function Modeling Based on Interactions of Mass, Energy and Information", Proceedings of the Twelfth International Florida Artificial Intelligence Research Society Conference, American Association for Artificial Intelligence (www. aaai.org), p 384-388, 1999.

[7] Rohmer S., Amoussou G. A., (2005), "Modlisation des connaissances fonctionnelles de systmes physiques base sur la notion d'effet lmentaire", Congrs International de Gnie Industriel, 2005

[8] Henderson M. R. and Taylor L. E., (1993), A meta-model for mechanical products based upon the mechanical design process, Research in Engineering Design, 5, 140-160.

[9] Bohm M., Stone R. and Szykman S., (2005), Enhancing Virtual Product Representations for Advanced Design Repository Systems, Journal of Computer and Information Science in Engineering, 5(4):360-372.

[10] Savransky S. D., (2000), "Engineering of creativity : Introduction to TRIZ Methodology of Inventive Problem Solving", CRC Press, 2000.

[11] Nadeau J.-P., Pailhes J., Dore R. and Scaravetti D., (2005), "Analyser, qualifier et innover en conception par les lois dvolution TRIZ", 6me Congrs International de Gnie Industriel, Besanon, 7-10/06/05.

[12] Sallaou M., (2008), "Taxonomie des connaissances et exploitation en conception prliminaire Application un systme olien", Thse de doctorat, Arts et Mtiers ParisTech.

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