Co-conception dans l'industrie automobile : Allier les ...

RésuméLa complexité électromécanique dans l'industrie automobile met à rude épreuve les méthodes de conception électrique et mécanique - des disciplines jusqu'alors séparées. La co-conception MCAD et ECAD peut stimuler la productivité et garantir la précision de la conception en modernisant la collaboration interdomaine. Jusqu'à présent, les informations devaient être intégrées dans des e-mails, des feuilles de calcul et des fichiers XML. Grâce aux outils de CAO modernes, les concepteurs sont en mesure de synchroniser leurs don-nées et de collaborer plus efficacement sur les éléments de conception critiques entre les domaines, garantissant ainsi que l'intention de conception est correctement implémentée.

Kevin Paul Siemens Digital Industries Software

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Co-conception dans l'industrie automobile : Allier les environnements MCAD et ECAD pour optimiser les procédés

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Livre blanc | Co-conception dans l'industrie automobile : Allier les environnements MCAD et ECAD pour optimiser les procédés

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Le défi : Réussir du premier coup

Trouver la bonne conception du premier coup ; voilà l'objectif de toute équipe de conception électrique ou mécanique dans l'industrie automobile. Le but est de réduire, voire d'éliminer, les itérations de conception coûteuses. En faisant cela, les entre-prises réduisent le coût de développement du produit et, sur-tout, elles atteignent leur objectif de lancement.

Dans l'industrie automobile, la complexité et de la densité électromécanique des véhicules modernes constituent des défis de taille. La plupart des voitures utilisent des ordinateurs et des capteurs embarqués pour gérer leurs systèmes critiques, comme l'accélérateur, ou encore les systèmes de freinage. Elles peuvent

également être équipées d'une série de systèmes d'info-diver-tissement, de climatisation et des sièges chauffants. Cela est d'autant plus vrai pour les voitures de luxe haut de gamme. Selon Car and Driver (2016), la Bentley Bentayga contient plus de 100 millions de lignes de code, 90 ordinateurs et modules de commande, et un faisceau de câbles qui pèse environ 50 kg.

Ce document présente la manière dont un processus de co-conception MCAD/ECAD aide les équipes de conception à éliminer les problèmes électromécaniques coûteux lors du déve-loppement d'un véhicule.

Schéma 1 : La complexité des systèmes électriques automobiles augmente à mesure que les clients exigent davantage de fonctions électroniques.



Co-conception ECAD-MCAD

Plus facile à dire qu'à faire. Les obstacles potentiels à la collabo-ration interdisciplinaire sont nombreux. Le premier est la sépa-ration traditionnelle qui existe entre les domaines électrique et mécanique. Les ingénieurs en électricité et en mécanique travaillent généralement avec des ensembles d'outils complète-ment différents, avec des terminologies différentes. Souvent, ils ne travaillent même pas au même endroit.

Les systèmes de CAO mécanique et électrique ont une manière différente de présenter la structure d'un même objet. Dans un système de CAO mécanique, un module informatique peut être représenté par une nomenclature physique avec les vis, le boî-tier, le circuit imprimé et les connecteurs. Cependant, le même module dans l'environnement de CAO électrique affiche une vue fonctionnelle ou schématique qui transcende la structure physique de l'objet. Certaines fonctions électriques peuvent être associées à plusieurs cartes de circuits imprimés et connecteurs différents, ce qui rend peu pratique l'association d'une seule fonction à une seule pièce physique.

Ces obstacles ont rendu la collaboration interdisciplinaire dif-ficile. Les ingénieurs se servaient d'une multitude de supports pour travailler ensemble : des post-it, aux feuilles de calcul Excel® en passant par les e-mails. Ces approches n'ont pas abouti, pour des raisons évidentes. En conséquence, de nom-breuses équipes de développement automobiles ont eu recours à des logiciels et des processus de collaboration développés en interne, qui devaient être testés et vérifiés à chaque nouvelle version des suites d'outils de CAO électrique et mécanique sous-jacentes. Ces logiciels et processus développés localement étaient coûteux à maintenir et nécessitaient un support interne dédié.

Le développement du format de fichier XML a permis de résoudre certains de ces problèmes. Le XML est un format de stockage des données indépendant de la plateforme, ce qui signifie qu'il peut être lu par de nombreux types de pro-grammes, de machines et même par les humains. Pour les concepteurs en électricité et en mécanique, cela signifie que les données stockées au format XML peuvent être transférées directement entre leurs environnements de conception respec-tifs, comblant ainsi le fossé qui existait traditionnellement entre les domaines électrique et mécanique (Schéma 2).

En raison de sa polyvalence, de nombreuses entreprises ont conçu leur propre schéma XML pour permettre l'interopérabi-lité entre divers produits logiciels. Siemens Digital Industries

Software, par exemple, a développé PLMXML comme moyen de communication entre ses solutions de cycle de vie des produits (par exemple NX), et d'autres applications qui ont adopté le format, comme le logiciel Capital.

Schéma 2 : Le XML a permis de relier les domaines traditionnellement sépa-rés des CAO électrique et mécanique.

XML



L'intégration de NX et Capital par le biais de PLMXML permet de synchroniser régulièrement les conceptions ECAD/MCAD, pour assurer la compatibilité des conceptions tout en permettant aux concepteurs de travailler dans leur environnement spécifique. À un niveau élevé, le flux de conception entre Capital et NX pour-rait ressembler à ceci :

1. Le concepteur en CAO électrique commence par créer la disposition du câblage et de la connectivité dans Capital. Cette disposition comprend les composants clés tels que les fils, les connecteurs, les multiconducteurs et les épissures. Le concepteur exporte ensuite ces données de câblage pour l'ingénieur en mécanique.

2. Ce dernier importe le fichier PLMXML et les données élec-triques sont automatiquement liées aux objets 3D dans NX. Il peut ensuite acheminer le câblage dans le véhicule ou une partie du véhicule, puis exporter un fichier contenant ces modifications incrémentielles pour que le concepteur en CAO électrique puisse les examiner.

3. Le concepteur en CAO électrique peut ensuite importer ces données et effectuer un certain nombre de contrôles sur la conception. Avec les longueurs de fil en 3D de NX, le concep-teur peut effectuer des calculs de chute de tension, s'assurer qu'un espace suffisant a été réservé dans la conception méca-nique pour accueillir le faisceau de câbles. Des modifications peuvent être apportées si nécessaire, et un nouveau fichier incrémentiel peut être renvoyé à l'ingénieur en mécanique.

Ce processus permet aux concepteurs de vérifier la concep-tion collaborative à intervalles réguliers, ce qui permet d'éviter les violations au niveau de l'espace ou du système électrique. Toutefois, cette méthode nécessite toujours l'exportation et l'importation manuelles de données par les concepteurs. Les domaines de CAO électrique et mécanique peuvent être plus étroitement intégrés afin de réaliser de plus grandes économies en termes de temps et de coûts.

Limites du XML1. L'interconnexion de différentes plateformes via le format

XML est certainement une amélioration par rapport aux anciennes méthodes de transfert de feuilles Excel ou de fichiers PDF annotés pour suivre les modifications et maintenir l'intention de conception. Cependant, comme les données XML doivent être exportées et importées manuel-lement, après qu'un domaine a terminé les modifications de conception, il doit attendre que l'autre ingénieur les examine et accepte ou rejette les modifications proposées. Cela aug-mente le temps d'arrêt d'un projet et rallonge le processus de développement.

2. De plus, ce niveau d'intégration ne contourne que partiel-lement les barrières entre les CAO électrique et mécanique. Lorsqu'ils proposent des modifications de conception, les concepteurs n'ont connaissance des impacts de ces modifica-tions que pour leur domaine. Par conséquent, un concepteur travaillant dans l'environnement Capital pourrait proposer des modifications qui entraîneraient des violations spatiales ou physiques, et ne pas le savoir avant que l'ingénieur en mécanique n'examine et ne rejette les modifications.



Les processus de conception électrique et mécanique devraient être plus connectés, intégrés et collaboratifs qu'ils ne le sont aujourd'hui. La vérification croisée transparente entre les deux domaines permet une intégration et une collaboration plus étroites. Les ingénieurs peuvent compléter la conception de chaque domaine à l'aide des informations contextuelles de l'autre (Schéma 3).

Une caractéristique essentielle de cette intégration est le rem-placement du transfert de fichiers via la méthode XML. Avec le XML, l'intégration dépendait de l'exportation d'un fichier volu-mineux de modifications dans un système de fichiers que les autres ingénieurs pouvaient récupérer puis importer. Capital et NX prennent en charge l'intégration au niveau de l'API, où les deux domaines sont directement connectés pour mettre immé-diatement à jour la conception avec les modifications ou les nouvelles informations. Les ingénieurs ne s'échangent plus des

Une véritable co-conception : vérification croisée

Schéma 3 : Un flux de conception avec ECAD/MCAD intégrées permet une vérification croisée en temps réel.

fichiers XML, mais sont véritablement intégrés au niveau des données via un mécanisme robuste. Par exemple, un concepteur Capital peut publier une nomenclature pour le câblage qui peut ensuite être intégrée de manière transparente dans NX.

Grâce à cette intégration, le système électrique et le faisceau de câbles peuvent être conçus en tenant compte des zones humides, chaudes et bruyantes de la conception mécanique. Cela permet au concepteur en CAO électrique de tenir compte de l'impact de ces zones sur les performances électriques lors de la conception du système électrique. Du côté mécanique, des réservations d'espace peuvent être réalisées et la sévérité des courbes du faisceau peut être ajustée pour tenir compte des faisceaux de câbles qui doivent passer par les structures méca-niques. En ayant accès à ces informations contextuelles prove-nant d'autres domaines, les ingénieurs sont en mesure de conci-lier les incompatibilités entre les CAO électrique et mécanique.



Prenons un exemple typique : l'ingénieur mécanique souhaite s'assurer que le faisceau contenant tous les fils nécessaires pas-sera dans l'espace physique qui lui est assigné. Cependant, il ne souhaite pas créer et gérer ces fils dans le modèle de CAO méca-nique, car cela serait trop difficile et prendrait trop de temps. Au lieu de cela, la définition électrique est créée dans Capital. Le diamètre maximal autorisé des faisceaux, basé sur diverses contraintes mécaniques, peut être envoyé à Capital qui s'assu-rera que les fils synthétisés ou acheminés dans ces faisceaux ne dépassent pas grâce à des vérifications automatiques des règles de conception. Cela permet de garantir une conception correcte de la construction et d'éviter des retouches coûteuses.

De plus, l'ajout d'objets tels que des clips, des œillets et des tubes à la conception du faisceau nécessite une collaboration inter-domaines. Il est préférable de créer ces objets dans l'envi-ronnement de CAO mécanique en 3D, puis de les fusionner avec les données électriques de l'outil de CAO électrique. Une fois cette association effectuée, la conception entière du faisceau de câbles peut être réalisée automatiquement dans toutes ses configurations.

Ces dernières années, le contenu électrique et électronique des véhicules a explosé alors que l'espace disponible est resté constant (Schéma 4). Cela signifie qu'il y a plus d'électronique regroupée dans le même espace, ce qui peut entraîner des interférences électromagnétiques et radios. La vérification et la visualisation croisées entre les environnements permettent aux concepteurs de comprendre le routage des signaux dans l'es-pace 3D, et donc de déterminer le routage optimal pour éviter les interférences.

Par exemple, pour la construction de voitures haut de gamme, l'équipe de conception va vouloir consolider le groupe d'ins-truments et les systèmes de divertissement dans ses nouveaux véhicules. Cette consolidation peut modifier l'emplacement des systèmes électroniques critiques pour la sécurité, ce qui modifie les exigences en matière de longueur de câbles et a un impact sur l'intégrité des signaux. Dans ce cas, la vérification croisée permet aux équipes de conception électrique et mécanique de déterminer rapidement le routage optimal du câblage.

Coût de l'électronique automobile (% du véhicule total)

60 %

50 %

40 %

30 %

20 %

10 %

1950 1960 1970 1980 1990 2000 2010 2020 20300 %

1 % 3 % 4 %

10 %15%

20 %

30 %35 %

50 %

Source : Roland Berger

Schéma 4 : Le contenu électrique et électronique des véhicules a explosé ces dernières années.



Gestion des modifications

La complexité extrême des véhicules modernes entraîne des centaines, voire des milliers de compromis et d'ordres de modi-fication, lesquels ont une incidence sur la longueur, le type et l'emplacement physique des câbles. Une bonne méthodologie de gestion des modifications est indispensable à la conception électrique et mécanique intégrée dans l'industrie automobile.

La mécanique définit les contraintes de rayon de courbure du faisceau de câbles en fonction de sa structure physique. Ces contraintes de rayon de courbure doivent être communiquées à Capital pour créer la planche à clous (formboard) sur lequel le faisceau de câbles sera assemblé. La planche à clous est utilisée pour placer les faisceaux de câbles physiquement et connecter le système avant que le faisceau ne soit inséré dans le véhicule. Avec les contraintes de courbure de la CAO mécanique, Capital, par exemple, pourrait alerter l'ingénieur s'il crée un modèle qui ne peut être construit.

Avec une voiture plus avancée, un ingénieur de production peut avoir besoin de déplacer un capteur LiDAR de l'emplacement spécifié par le service d'ingénierie. Cela nécessiterait probable-ment de réacheminer le câble, voire d'ajouter une épissure pour tenir compte du changement d'emplacement du capteur. Les capteurs LiDAR nécessitent des débits de données extrêmement rapides, jusqu'à 600 MHz. Ainsi, la modification de la longueur du câblage ou l'ajout d'une épissure pourrait compromettre l'in-tégrité du signal des informations critiques pour la sécurité pro-venant du capteur LiDAR. La modification de l'emplacement de ce capteur nécessiterait de multiples modifications des concep-tions mécanique et électrique, dont le coût, le poids, l'équilibre et la fonctionnalité devraient ensuite être vérifiés.

Le défi est de trouver un moyen de suivre les modifications de chacun de manière rapide et efficace. La gestion des modifica-tions comporte deux aspects majeurs. Le premier correspond à la fusion automatique des données et l'affichage clair des modi-fications pour le concepteur. Capital est équipé d'un outil de gestion des modifications qui crée automatiquement une liste des modifications apportées à la conception.

À partir de cette liste, l'ingénieur électrique peut choisir d'accep-ter ou de rejeter chaque modification individuellement, plutôt que comme un ensemble de modifications. La fenêtre de ges-tion des modifications dans Capital est également en mesure d'effectuer une vérification croisée en direct des conceptions électrique et mécanique. Lorsque chaque pièce est sélectionnée dans l'outil de gestion des modifications, elle est automatique-ment mise en évidence dans les environnements MCAD/ECAD

pour aider l'ingénieur à comprendre la modification proposée. Le gestionnaire de modifications peut également prévisualiser un ensemble de modifications dans un diagramme aplati. La vue à plat peut être tridimensionnelle, orthogonale ou dépliable (Schéma 5).

Schéma 5 : Le gestionnaire de modifications de Capital peut effectuer une prévisualisation via un aplatissement 3D, orthogonal ou dépliable.

Aplatissement 3D

Aplatissement Aplatissement orthogonalorthogonal

Aplatissement dépliable



Tâche Outil

Capturer l'exigence de séparation des signaux Teamcenter

Associer une exigence à une conception électrique Capital + Teamcenter

Définir le routage des faisceaux de câbles (technologie de faisceau 3D) NX

Associer la topologie du faisceau 3D aux conceptions électriques Capital + NX

Exécuter la règle de séparation des signaux lors de la création du câblage Capital

Compléter la conception électrique (par ex., simulation du courant continu) et exécuter les DRC de vérification Capital

Rétro-annoter les données de câblage pour achever la conception mécanique (par ex., simulation des vibrations) Capital + NX

Valider la conception électrique/la nomenclature et le rapport de vérification pour le PLM Capital + Teamcenter

L'autre élément essentiel est une politique de modification qui défi-nit le maître des données et la direction dans laquelle les modifi-cations seront effectuées. Capital dispose d'un ensemble d'options qui permettent de contrôler automatiquement la façon dont les données sont modifiées. La propriété des données est détermi-née au coup par coup, la politique de modification peut donc être adaptée aux différents flux de conception. Les pièces disponibles pour la sélection sont très détaillées, des règles peuvent donc être établies pour des attributs spécifiques des composants individuels. Par exemple, on peut définir une règle selon laquelle la CAO méca-nique ne peut mettre à jour que l'attribut poids d'un connecteur, mais pas les caractéristiques électriques.

La gestion des variantes accroît la complexité de la gestion des modifications. Tout modèle de véhicule donné peut être équipé d'une gamme variable de systèmes et de fonctions électroniques, ce qui signifie qu'il existe des centaines, voire des milliers de ver-sions différentes d'un faisceau de câbles. Un outil de gestion fédéré intelligent et une base de données pour les variantes de concep-tion du faisceau sont nécessaires. Ce gestionnaire fournirait aux ingénieurs en mécanique et en électricité des informations actua-lisées sur les variantes pertinentes pour leur domaine sans obliger aucune des disciplines à s'adapter à la base de données de l'autre.

Perspective d'avenir : véhicules tout électrique et conduite autonomeAvec la généralisation des véhicules électriques et l'adoption des technologies de voitures autonomes, le besoin d'une intégration étroite entre les environnements ECAD/MCAD ne fera qu'augmen-ter. Pour les véhicules autonomes de niveau 5, l'interaction conti-nue entre ces domaines tout au long du processus de conception sera le seul moyen de réaliser les conceptions avancées dans un délai réaliste. Il est fort probable qu'un système de traitement puissant et centralisé se connectera et interagira avec un ensemble de capteurs (LiDAR, radar, caméras, etc.). Ces capteurs, comme les caméras haute résolution, nécessiteront des connexions haut débit

Schéma 6 : Un flux avec CAO électrique et mécanique intégrées crée une continuité numérique dans toute la conception.

particulièrement sensibles aux changements de longueur de câbles ou aux épissures. Pour optimiser le poids du faisceau de câbles et sa répartition dans le véhicule, il faudra rerouter les faisceaux de câbles. Ce changement aura un impact considérable sur la lon-gueur des câbles et les performances des signaux. L'intégration de nouvelles technologies plus légères, comme les structures en treil-lis métallique pour la carrosserie, compliquera encore la tâche de conception en introduisant une toute nouvelle série de contraintes.

La conduite autonome rendra également plus difficile la tâche de satisfaire aux exigences de sécurité et de fonctionnalité pour la conception électromécanique. Par exemple, les câbles transportant des signaux d'alimentation haute tension devront être séparés des câbles de données pour éviter que les interférences électroma-gnétiques ne déforment les signaux de données. De plus, il faudra intégrer des systèmes électriques redondants pour préserver les fonctions de sécurité en cas de défaillance électronique ou d'acci-dent. Les systèmes redondants augmentent la complexité globale de la conception de la voiture. C'est pour cela qu'un transfert précis et fluide des modifications de conception entre les environnements ECAD et MCAD est indispensable. L'intégration des deux domaines de CAO renforce la continuité numérique entre les domaines. Cette boucle d'informations numériques est la garantie que la conception électromécanique réponde à toutes les exigences (Schéma 7).

Une solution intelligente de gestion des modifications deviendra primordiale à mesure que le secteur se tournera vers des flottes entièrement électriques. Les ingénieurs en mécanique devront optimiser la répartition du poids et le découpage du faisceau de câbles, ce qui entraînera des centaines d'ordres de modifications. Toutes limitations des véhicules opérationnels doivent être iden-tifiées et les solutions incorporées aussi rapidement que possible dans la chaîne de fabrication. Cela nécessitera une boucle de rétroaction étroitement automatisée et hautement synchronisée entre l'ingénieur et la fabrication.



Réussir du premier coupLa co-conception MCAD/ECAD a longtemps été reconnue comme un catalyseur potentiel de productivité. Grâce aux outils de CAO modernes, les concepteurs sont en mesure de synchro-niser leurs données et de collaborer plus efficacement sur les éléments de conception critiques entre les domaines, garan-tissant ainsi que l'intention de conception est correctement implémentée.

Lors de la conception, la vérification croisée entre les environ-nements électrique et mécanique aide les concepteurs à com-prendre le domaine de leur homologue. Cela permet d'identifier et de résoudre les incompatibilités à un stade précoce, ce qui réduit les itérations de conception coûteuses. La co-conception est un outil essentiel pour les équipes de conception, qui leur permet de créer les bonnes conceptions du premier coup.

Pour plus d'informations : https://www-preview.plm.automation.siemens.com/global/en/products/electrical-electronics/electrical-system-networks-harness.html

Conclusion

Références1. Pearley Huffman, J. (23 mai 2016). "Le fonctionnement d'un véhicule

moderne nécessite beaucoup de câbles (comme en témoigne le faisceau de cette Bentley)", Car and driver. Extrait de https://www.caranddriver.com/news/it-takes-a-lot-of-wiring-to-keep-a-modern-vehicle-moving-witness-this-bentleys-harness

https://www-preview.plm.automation.siemens.com/global/en/products/electrical-electronics/electrical-system-networks-harness.html



https://www.caranddriver.com/news/it-takes-a-lot-of-wiring-to-keep-a-modern-vehicle-moving-witness-this-bentleys-harness



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