Conception assistée par ordinateur

Ministère de l’Enseignement Supérieur, de la recherche scientifique et de la

technologie Université Tunis El Manar

وزارة ا�� ا��وا�� ا�� وا��

�� ا��ر

Département Génie Mécanique

Support De Cours

CONCEPTION ASSISTÉE PAR ORDINATEUR

Pour Les Élèves De

2ème année Génie Industriel

Elaboré par :

Riadh SAIDI [email protected]

Année universitaire: 2012/2013

Conception Assistée par Ordinateur ENIT

« Le pari des entreprises est que la CAO permettra une hausse semblable

de la productivité des ingénieurs. »

Le terme conception assistée par ordinateur signifie toutes les techniques qui permettent la conception d’un produit en utilisant l’informatique que ce soit dans le domaine de la mécanique, que dans le domaine de l’électricité, du civil, ou le domaine de l’architecture, etc…

Concevoir un objet tel qu’il soit, avec un système CAO nécessite des outils informatiques plus ou moins complexes, selon les cas, pour donner à l’utilisateur final les moyens de dialoguer avec le système CAO. Cet utilisateur final sera appelé dans toute la suite « opérateur » dialoguer avec le système cela peut vouloir dire :

• créer des éléments ; • modifier des éléments ; • comprendre les états de la conception en cours ; • faire exécuter les opérations de simulation ; • avoir un retour (feedback) du système, pour comprendre l’effet de telle géométrie ou telle

action.

Ce cours s’oriente principalement aux techniques de la conception assistée par ordinateur qui recouvrent le domaine de la mécanique.

Dans ce cours, on suppose que toutes les notions de base relatives au dessin industriel en mécanique sont acquises ; à savoir, les notions de formats, de types de traits, de sections, de coupes, de représentations des vues en deux dimensions ou d’objets en trois dimensions, de cotations, de lecture des mécanismes (en coupe ou non) même les plus complexes et enfin d’éléments mécaniques (ressorts, roulements, engrenages, vis et écrous, goupilles, chaînes, rivets, etc.).

Le cours Conception Assistée par Ordinateur sera présenté selon le plan suivant :

• Terminologie de la CAO, types de logiciels en CAO ;

• Introduction à CATIA : personnalisation, barres d’outils, menus, navigateur ;

• Construction géométrique de base : atelier d’esquisse, outils de construction, contraintes ;

• Modélisation solide : extrusions, révolution, perçage, congés et arrondis, … ;

• Assemblage : intégration et création de pièces, positionnement, pièces standards, contraintes, matériaux, … ;

• Dessin (2D), mise en plan, conventions, création des vues, mise des côtes, annotations, … ;

Ce cours est accompagné de séances de travaux pratiques qui permettront aux étudiants d’exploiter d’une façon concrète les connaissances acquises dans ce cours.

Evaluation :

• Test

• Examen fin d’année à la fin du programme


Chapitre 1

Introduction à la conception assistée par ordinateur

��

1. Définition de la CAO��

1.1 Historique��

1.2 Evolution de la CAO :��

1.3 La conception��

1.4 La conception assistée��

1.5 La conception assistée par ordinateur��

1.6 Critères de choix d'un système CAO��

1.7 Avantages de la CAO��

2. La CAO au bureau d’études��

2.1 Introduction��

2.2 Rôle du bureau d’études��

2.3 Répartition des tâches dans un bureau d’études��

3. Modélisation géométrique en CAO��

4. Conclusion : La CAO du futur��

�


1. Définition de la CAO

“La CAO est une technique dans laquelle l’homme et l’ordinateur sont rassemblés pour la solution des problèmes techniques en une équipe qui allie étroitement les meilleures qualités de chacun

d’eux, de telle manière que l’équipe travaille mieux que chacun séparément.” D'après D.T.Ross.

En d’autres termes, la CAO c’est l’ensemble des outils et procédures utilisant l’informatique et permettant d’établir une synergie entre l’homme et l’ordinateur en mettant au mieux à profit leurs qualités complémentaires d’une part, en conférant à l’ordinateur les travaux de stockage d’information et d’analyse routinière fastidieux et automatisables comme l’établissement de nomenclatures, la mise en place et la consultation de catalogues, la cotation de plans, l’analyse d’effets de tolérance, la résolution de grands systèmes d’équations, etc., et d’autre part, en laissant à l’homme les travaux de synthèse créatrice.

Toutefois, on notera que l’expression Conception Assistée par Ordinateur peut être trompeuse, car elle peut laisser croire que l’ordinateur supplante pratiquement le concepteur. L’observation immédiate permet de constater que l’ordinateur peut manier un très grand nombre de données quantitatives ou logiques, les traiter à grande vitesse, et cela sans erreur, alors que l’homme excelle dans l’appréhension qualitative des spécifications, des structures et des résultats.

1.1 Historique L’emploi de l’ordinateur dans les projets et les bureaux d’études qui cherchent toujours à

trouver des solutions à la fois économiques et de bonne qualité, conduit à une informatique qui possède ses caractères propres ; c’est différent de la gestion, de la banque, du pur calcul.

A ne pas confondre la CAO (conception assisté par ordinateur) avec la DAO. Dans la DAO (dessin assisté par ordinateur), l’ordinateur sert seulement à dessiner plus rapidement, plus sûrement, plus précisément ; à mieux gérer les plans.

Dans la CAO, le dessin est couplé au calcul : toute information de dessin donnerait accès à une information de performance, tout détail ou toute modification ajoutée au dessin se traduirait en un détail ou une modification de ces performances.

Concevoir un objet tel qu’il soit, avec un système CAO nécessite des outils informatiques plus ou moins complexes, selon les cas, pour donner à l’utilisateur final les moyens de dialoguer avec le système CAO. Cet utilisateur final sera appelé dans toute la suite « opérateur » dialoguer avec le système cela peut vouloir dire :

• créer des éléments ; • modifier des éléments ; • comprendre les états de la conception en cours ; • faire exécuter les opérations de simulation ; • avoir un retour (feedback) du système, pour comprendre l’effet de telle ou telle action.

1.2 Evolution de la CAO :

La conception et la fabrication sont le cœur des activités contribuant à la réalisation des produits qui peuvent être écoulés sur le marché et qui peuvent rapporter un profil. De nombreux changements se sont produits ces trois dernières décennies dans le domaine de conception et de la fabrication. Il y a eu, tout d’abord, le développement de la CAO ensuite la FAO (fabrication assisté par ordinateur). Le système de CAO des années 60 supporte le dessin bidimensionnel (2D) ensuite, l’extension des systèmes (2D) aux systèmes (3D) a aboutit au développement du modèle filaire. Ce pendant, ce


modèle ne peut représenter des géométries de niveau plus haut tel que les surfaces. Et ce n’est qu’au début des années 70 que les modèles surfaciques sont apparus. C’est une représentation de niveau plus élevée que la filaire mais pas assez pour représenter les volumes ou les solides. Le besoin des modèles solides a été ressent avec l’évolution de la commande numérique et de la méthode des éléments finis. Au début des années 70 la modélisation solide a commencé à se répandre. Maintenant, les systèmes CFAO (conception et fabrication assisté par ordinateur) supportent l’ensemble des trois modèles (filaire, surfacique et volumique) et intègrent plusieurs fonctionnalités (Multi-Utilisateur, gestion des accès, gestion des versions…). En 1980 Auto desk a distribué ses premiers releases d’AutoCAD sur PC parmi les nombreux systèmes de haute gamme développés pour des plateformes PCS sous environnement Windows.

1.3 La conception

La recherche d'une définition de la conception assistée par ordinateur est un exercice plutôt futile, et nous avons préféré une explication plus proche du vécu du travail de l'ingénieur. Il s'agit d'imaginer, de formuler des solutions pour remplir des fonctions bien définies à l'intérieur d'un ensemble de contraintes. Généralement, l'atteinte d'une solution (d'un design) n'est pas directe sauf pour des problèmes extrêmement simples. Le processus est plutôt itératif tel qu'illustré à la Figure 1.1. De façon simpliste, on distingue d'abord le choix d'un modèle représentant le phénomène physique du problème. Ensuite, un premier design est élaboré et, on vérifie si les contraintes sont satisfaites. On modifie le design et on répète jusqu'à ce que le design vérifie les contraintes.

On peut décrire la conception ou le design comme un processus itératif au cours duquel un objet est conçu et modifié afin qu'il puisse remplir des fonctions bien définies et se conformer à un ensemble de contraintes.

On identifie plusieurs étapes dans cette démarche:

i) création d'un modèle de l'objet,

ii) analyses, essais et simulation,

iii) construction de prototypes,

iv) modifications,

v) réalisation de l'objet.

À quelques variantes près dans l'enchaînement de ces étapes, la méthodologie est la même que l'objet, soit un barrage, un circuit électrique, une pièce mécanique, etc.

Autres caractéristiques communes à l'ensemble des activités de conception sont les moyens ou média utilisés par le concepteur:

i) outils analytiques - formules empiriques et équations issues de modèles mathématiques. Ceux-ci sont utilisés aussi bien lors de la création d'un modèle, lors de son analyse, ou des modifications;

ii) information - propriétés et caractéristiques de toutes sortes, design antérieurs, etc. Ces informations auxquelles l'ingénieur fait appel sont contenues dans des manuels, dans sa propre mémoire, dans des plans, etc. Leurs formes sont variées : chiffrées, graphiques, textuelles. On a recours aux informations également à toutes les phases du processus de conception;


iii) communication - l'ingénieur doit communiquer ou consacrer les résultats de son travail à l'une ou l'autre des phases. Par exemple, il lui faut communiquer la forme du modèle pour la réalisation d'un prototype, ou bien les résultats d'un calcul de contraintes pour réaliser certaines modifications. Les modes de communication sont graphiques, chiffrés ou bien textuels.

Figure 1.2: La conception

Pris séparément, ces aspects donnent lieu à des activités quantitatives (ou non créatives) et des activités qualitatives (créatives). L'aspect créatif de l'activité de design se manifeste évidemment lors de la création d'un modèle, mais également tout au long du cheminement, c'est-à-dire dans le choix d'une méthode de calcul plutôt qu'une autre, l'appel à telle information ou l'interprétation d'un calcul, l'élaboration d'une modification à la suite d'une simulation, etc. La coordination de toutes ces activités en fonction d'un objectif et menant à une réalisation est le processus de design.

1.4 La conception assistée

À mesure que l'envergure et la complexité des projets augmentent, chacune des étapes et des moyens mis en œuvre deviennent plus élaborés et nécessitent une certaine spécialisation. Ainsi le concepteur ne peut plus communiquer avec un technicien à l'aide d'un dessin fait rapidement à main levée au-delà du stade préliminaire. La réalisation des pièces est telle que beaucoup d'information doit être transmise de façon complète et non équivoque. Ceci a donné lieu au dessin industriel, c'est-à-dire la codification de la communication graphique. De façon semblable, on ne peut plus analyser les contraintes dans une pièce mécanique ou la réponse d'un circuit par une simple formule tirée d'un manuel. On utilise plutôt un calcul numérique par une méthode discrète tels les éléments finis. Le concepteur communique au programme de calcul la géométrie de la pièce (ou la topologie du circuit) sous une forme codifiée.

Donc à chacune des étapes, le concepteur fait appel à des "intermédiaires" qui restreignent, ralentissent et augmentent le temps et le coût d'un design. Pire encore, alors qu'il travaille avec le même objet, il le communique par différents médias à différents "intermédiaires" (dessins ou coordonnées chiffrées).

Création d’un modèle

Plans

Contraintes Design initial

Analyses Modifications

Ateliers

Non

Oui


On atteint donc le point où la coordination de ces activités dépasse la capacité d'un seul cerveau, et ceci en grande partie à cause de certaines fonctions secondaires à caractère non créatif. Heureusement, ces fonctions sont de nature quantitative et peuvent être confiées à des auxiliaires (dessinateurs, programmeurs) et libérer le concepteur pour les tâches qualitatives qui sont du niveau de ses aptitudes et de sa formation. On atteint ainsi la conception assistée dont la nature n'a pas changé. Seulement certaines modalités ont été modifiées.

On peut schématiser cette structure comme à la Figure 1.2. Il est important de maintenir une bonne proportion entre les tâches créatrices et non créatrices. L'efficacité du processus global en dépend.

Figure 1.2: La conception assistée

1.5 La conception assistée par ordinateur

Les exigences technologiques donnent lieu à des projets complexes et qui résultent en un morcellement du travail. La proportion des tâches quantitatives par rapport aux tâches qualitatives augmente et ceci jusqu'au point où elles inhibent le processus de conception. Dans un contexte de marché, il est inévitable que l'on songe à augmenter son rendement. Les exemples dans le passé industriel ne manquent pas où, par des investissements massifs dans les machines et équipements, on a haussé très substantiellement la productivité des travailleurs. L'industrie se trouve vis-à-vis ses travailleurs intellectuels dans la même situation qu'au début du siècle avec les travailleurs manuels. Le pari des entreprises est que la CAO permettra une hausse semblable de la productivité des ingénieurs.

Les progrès dans le domaine de l'électronique mettent, à la disposition de l'ingénieur, une puissance de calcul, de mémoire et de traitement énorme et ceci à bon marché. D'autre part, la création de logiciels extrêmement évolués permet d'informatiser de nombreuses tâches quantitatives du processus de conception tout en libérant l'esprit pour les tâches de jugement et décisionnelles. On obtient alors un lien symbiotique utilisant au mieux les qualités de l'homme et de l'ordinateur. La division des tâches entre l'ingénieur et la machine n'est certes pas aisée mais déjà des systèmes existants ont fait d'énormes progrès vers une telle intégration. La façon dont le cerveau humain combine des données et fait appel à des ressources en fonction de certains objectifs est complexe et loin d'être claire. La réalisation de cet objectif constitue un des domaines d'avenir et sa maîtrise sera l'équivalent de la révolution industrielle pour le travail intellectuel.


On utilise la capacité de calcul, de stockage et de traitement de l'ordinateur, alliés aux capacités de reconnaissances de formes, d'évaluation, de jugement de situations complexes (conflictuelles) et les possibilités de l'intuition de l'humain pour imaginer de nouvelles solutions.

Figure 1.3: La conception assistée par ordinateur

Les avantages sont immédiatement apparus aux industriels et on a assisté au cours des quelques dernières années à une intégration de l'informatique dans les méthodes de calcul et de conception de l'ingénieur qui peut se schématiser de la façon illustrée à la Figure 1.3.

1.6 Critères de choix d'un système CAO

Avant le choix définitif d'un logiciel CAO, certains pièges sont à éviter : � configuration de matériel informatique insuffisante à la vue de performances attendues et qui imposent rapidement des extensions onéreuses ou même parfois impossibles. � manque d'ouverture du logiciel pour le développement d'application. � possibilités de création alléchantes mais qui s'avèrent d'un emploi très restrictif. � conditions d'acquisition de nouveaux modules ou extension du nombre de poste de travail. � évolution très lente du logiciel au regard de la concurrence ou même incertitude quant à la continuité du fabricant. En tout état de cause, il ne faut pas oublier qu'un logiciel de CFAO n'est pas figé: il doit

répondre aux besoins de développement en continuelle progression et il doit mériter la confiance qui lui est accordé.

1.7 Avantages de la CAO

Sous l'effet de fortes pressions provenant de la compétition, de la conjoncture économique, de diverses contraintes du public et des organismes gouvernementaux pour de meilleurs produits (et à meilleur marché), l'industrie est forcée de hausser la productivité du personnel technique. Il est vite apparu qu'à l'aide de l'informatique, des économies appréciables sont possibles pour chacune des différentes phases du processus de design.


i) Création d'un modèle

À l'aide des systèmes CAO disponibles sur le marché, la création géométrique d'un objet (pièce, circuit, etc.) est grandement facilitée. On peut également étudier l'objet sous divers angles et en tirer des copies à volonté à différents niveaux de réalisme.

ii) Analyse

Les caractéristiques de l'objet, une fois créé, sont immédiatement disponibles pour des programmes d'analyse ou de simulation (éléments finis, vibrations, réponses en fréquence..) et, en retour, l'usager reçoit les résultats de ces calculs sous forme graphique pour évaluer si l'objet est conforme aux contraintes.

iii) Modifications

Suite à l'analyse ou à la simulation, des modifications sont faciles et rapides à incorporer, au modèle informatique.

Avec un tel outil, il est possible d'envisager plusieurs solutions et de choisir la plus adéquate. A titre d'exemple, on cite dans l'industrie de l'automobile pour la mise au point d'un nouveau modèle.

Il est évident que la CAO n'est qu'un outil, mais un outil qui modifie l'exercice de la profession de l'ingénieur et permet de faire un meilleur travail. Par exemple, dans le domaine des structures, les programmes d'analyses sont devenus très précis et complets de manière à ce que le comportement d'éléments telles les poutres, etc., peut être analysé avec beaucoup plus de fiabilité et de détails qu'avec les formules empiriques utilisées auparavant. Il est alors envisageable d'optimiser un design par l'utilisation itérative de ces outils et de déceler des comportements qui ne seraient apparus que lors de la réalisation du prototype (ou pire, lors du produit fini).

Cette approche est en vigueur depuis plusieurs années dans les domaines de haute technologie (aviation, nucléaire, électronique ...) où les méthodes traditionnelles sont devenues désuètes. La progression de ces méthodes avancées de conception est rapide et à moyen terme, elles seront utilisées dans la plupart des entreprises. Les créations du concepteur sont converties en numérique et mises en mémoire par l’ordinateur. Il sera ultérieurement possible de convertir ces données numériques en un dessin sur papier de la conception. Les graphiques interactifs apportent les avantages suivants aux études industrielles : � Visualisation améliorée de l’objet en cours de conception. � En cas d’alternative, il faudra relativement peu de temps pour comparer deux conceptions à la

différence de ce que permet la méthode conventionnelle. � Facilité de conception de pièces destinées à s’emboîter dans un produit assemblé. � Simulation possible du fonctionnement de l’objet en cours de conception. � Possibilité de résoudre aisément et en temps réel les problèmes de calcul posés par la

conception. � Au niveau du bureau d'études ou des services commerciaux, un outil de CAO va, par exemple,

permettre de construire virtuellement le produit, de le visualiser, ce qui permettra une meilleure appréhension des formes et des volumes, une évaluation des effets d'éventuelles modifications.

� A condition d'en avoir la volonté, la CAO va favoriser la standardisation par la création de bibliothèques de pièces et de composants, favorisant certains effets de série et économisant le temps des conceptions de pièces inutilement quasi identiques.


� Le travail de bureau d'études est classiquement constitué d'une grande majorité de tâches répétitives sans valeur ajoutée : dessin détaillé pour formaliser des objets parfaitement conçus dans l'esprit du projeteur, reprise de pièces ou de dessins identiques. Dans ce domaine, l'apport de l'outil informatique peut être très important et modifier fondamentalement la nature du travail effectué, rendant aux projeteurs le temps de se consacrer à une tâche vraiment utile.

D'une manière générale, cet outil va permettre un gain de temps, de productivité et de sécurité, par la possibilité qu'il offre de décliner des produits comportant des aspects communs en supprimant les aspects fastidieux de recopie et de répétition, tout en évitant les erreurs qui pourraient se produire dans ces tâches sans réelle valeur ajoutée. C’est notamment le cas pour la prise en compte des données techniques d'usinage lors de l'élaboration des fiches de débit des pièces.

2. La CAO au bureau d’études

2.1 Introduction

La CAO a vu le jour dans les bureaux d’études pour des applications en électronique. La première utilisation était dans le domaine de la schématique électronique (librairie de symboles, simulation, réalisation des circuits imprimés,…). Maintenant, c’est dans le domaine de la mécanique qu’elle connaît le plus grand essor. En effet, la CAO est très répondue dans les bureaux d’études des industries automobiles, aéronautiques, plastiques, etc. Elle a permis d’automatiser de nombreuses tâches propres aux bureaux d’études, ceci a eu une conséquence directe sur la productivité des entreprises, puisque le temps alloué à la réalisation de ces tâches se trouvant réduit. Ainsi, l’entreprise peut consacrer plus de temps aux travaux de recherche, de développement et de création.

2.2 Rôle du bureau d’études

Le rôle du bureau d’études est de concevoir un produit en s’appuyant sur des informations internes (catalogues, produits de l’entreprise, procédé de l’entreprise,..) ou externes brevet, normes, documents constructeurs, méthodes de calcul,..). Le produit à concevoir peut être une amélioration ou une modification d’un produit existant voire même un nouveau produit. La conception prend en compte trois étapes essentielles :

• Etude sur la faisabilité du produit • Etude économique (évaluation du coût) • Dessin (définition des formes, cinématique, encombrement, ….) • Dimensionnement (calcul de structure, fluide, thermique, …) • Création des documents de références (notice d’utilisation, d’assemblage, de maintenance,

…).

2.3 Répartition des tâches dans un bureau d’études

Sans l’aide de l’informatique et par conséquent les logiciels de CAO, seulement 10% du temps de conception d’un produit est consacré à la création, 20% aux travaux de reprise et 70% aux travaux de recopie :

• Création • Travaux de reprise : modification et correction des erreurs


• Travaux de recopie : mise au net, production de plan, calculs, … La répartition des tâches dans le bureau d’études laisse peu de temps aux travaux de création (10% par rapport au temps total de conception d’un nouveau produit). En effet, la création d’un produit industriel, que ce soit un nouveau produit ou une variété d’un produit déjà existant, est explicité par le schéma de la figure suivante :

Figure 1.4: Répartition des taches au bureau d’études On constate que pendant le processus de création d’un produit, certaines taches sont itérées et que des modifications fréquentes peuvent survenir. Ce constat suggère, pour une meilleure productivité, l’utilisation d’un support rapide pour traiter les données du problème, permettant ainsi la mise à jour de ces données d’une manière efficace. Pour ce faire, il faut s’orienter vers une automatisation même partielle des différentes tâches. L’objectif ainsi fixé par la CAO est de réduire les temps des travaux de reprises et des travaux de recopie pour laisser plus de temps à la création. Cet objectif peut être atteint en facilitant les tâches suivantes :

⇒ Production de dessin • Création et édition des entités géométriques • Gestion des niveaux de calque (« Layout ») : chaque pièce est dessinée sur un niveau de

calque ⇒ passage rapide d’un dessin d’ensemble à un dessin de définition • Habillage de plan (hachure, cotation, …) • Affichage et manipulation de dessin (zoom, changement d’échelle) • Transformation géométrique (symétrie, rotation, translation)


• Fonction de groupe (création d’élément à partir de primitives élémentaires qui peuvent être utilisées en tant que groupe et manipulées comme un élément géométrique de base ⇒bibliothèque de composant)

• Extraction des données de base (coordonnées d’un point, longueur d’un segment, surface, volume, moment d’inertie, poids, …)

• Paramétrage (définir une côte par un paramètre, établir des relations entre deux côtes) ⇒ Production et gestion de la documentation • Notice d’assemblage • Notice d’utilisation • Notice de maintenance ⇒ Création et Réutilisation de l’existant • Savoir-faire de l’entreprise • Création d’un nouveau produit à partir d’un ancien quand il n’y a pas un changement

radical de la solution • Variétés de produit

Exemple: pompe volumétrique à 5 pistons au lieu de 3.


3. Modélisation géométrique en CAO

Plusieurs types de modèles géométriques sont utilisés dans les systèmes de CAO : les modèles solides, les modèles 2D filaires, les modèles 3D filaires, les modèles surfaciques et les combinaisons filaires-surfaciques.

La modélisation géométrique est la représentation des objets du point de vue de leurs propriétés géométriques.

C’est une description informatique des formes et des dimensions de cet objet.

Il existe deux modèles de représentation:

� Bi-dimensionnel

Représente les objets dans un espace à deux dimensions (x, y) donc la représentation est sur un plan.

� Tridimensionnel

Représente virtuellement un objet dans un espace à 3 dimensions

Suivant la nature de l’objet, sa complexité et le domaine d’utilisation trois types de modèle peuvent être utilisés:

• Filaire;

• Surfacique;

• Solide.

3.1 Les modèles filaires

� Le modèle 2D Filaire

Il utilise des primitives 2D comme les points, les lignes, les arcs circulaires, les ellipses et les splines Outils de construction par élément tangent, perpendiculaire, parallèle, …


Accrochage par point extrémité, point milieu, centre Cotation et habillage de plans (tolérance, cartouche, nomenclature, …) Calculs liés à la géométrie des aires planes (périmètre, aire, centre de gravité, rayon de giration…) Avantages:

• Modification rapide; • Meilleure gestion (recherche, archivage,…); • Les coordonnées ainsi que les éléments de la géométrie peuvent eetre évalués et placées

avec une excellente précision. Limites:

� Il est ambigu. Une interprétation humaine est requise pour réaliser une pièce à partir d’un modèle;

� Il ne possède pas la notion de ‘’Face’’ (Fil de fer); � Il est difficile à lire et à analyser. Les relations spatiales entre les composants d’un

assemblage complexe sont difficilement visualisables. L’utilisation répandue de multiples vues auxiliaires, de coupes, de maquettes … l’atteste largement.

� Il est susceptible de contenir des erreurs. A cause des problèmes d’interprétation et d’ambigüité , le modèle filaire 2D est difficilement contrôlable au niveau des erreurs du dessinateur ou de ses incohérences

� Le modèle 3D Filaire

Il utilise les extrusions 3D du modèle 2D filaires: les points dans l’espace, les droites entre deux points, les arcs circulaires les courbes gauches contrôlées par une série de points, les courbes régulières (cercles, ellipse…) ajustées sur des plans. Avantages:

� Les modèles 3D sont beaucoup plus facilement visualisable que ceux de 2D. � Temps CPU plus faibles que celui du modèle surfacique ou solide.

Limites: � Les faces habillant la structure filaire ne sont pas définies par le modèle. Toute

interprétation est difficile voire impossible. � Il n’existe pas une méthode permettant d’assurer que le modèle est complet ou dénué

d’erreurs. Par exemple, une arête ou une face peut manquer ou encore traverser la section d’un solide.

� Il n’existe pas d’outils automatiques de modification globale d’un modèle. Par exemple, fusionner deux ensembles ou agrandir le diamètre d’un trou n’est pas envisageable en tant que commande de la modélisation.


3.2 Le modèle Surfacique Il permet de représenter des surfaces. Chaque section délimitée représente alors une face sur un élément ou un carreau qui est un sous-élément d’une face plus grande. La face (ou un carreau de surface) est bordée par des droites dans l’espace ou des courbes gauches (entités caractéristiques de 3D filaire). Les surfaces peuvent être simples, ‘’ régulières’’ comme les sphères ou peuvent être les représentations plus complexes de surfaces réglées, des courbes splines extrudées, de surfaces de révolution ou de surfaces gauches. Le modèle surfacique tridimensionnel est utilisé pour représenter les nombreuses formes qui ne peuvent être modélisées correctement avec le filaire (par exemple, les combinés de téléphone, les carrosseries d’automobiles, hélice à propulsion, les engrenages…). Avantages :

� il n’est pas ambigu � il peut étre doté d’algorithmes pour éliminer les lignes et les faces cachées pour donner plus

de réalisme lors de l’affichage d’une géométrie. L’ombrage et le rendu réaliste n’est pas disponible que pour les modèles surfacique et solide.

� Définition exacte � Facilite la représentation à l’usinage (FAO) � Facilite le maillage (calcul par la méthode des éléments finis).

Limites: � l’utilisateur doit avoir une formation poussée ainsi que des connaissances mathématiques. � les modèles surfacique est plus complexe que le modèle filaire et nécessite un temps de

calcul (CPU) plus long et des capacités de stockage plus grandes. � comme il n’est pas doté d’informations concernant la topologie, l’utilisateur peut ne pas

distinguer l’intérieur ou l’extérieur d’un objet. � problèmes quand on élabore des objets délicats ou une inflation de face s’avère

indispensable pour manipuler efficacement les régions irrégulières d’une surface. Par exemple, si l’on considère l’intersection de deux tuyaux, la zone d’interférence requiert une collection impressionnante de carreaux s’appuyant sur des surfaces de degré élevé: BEZIER, B-SPLINE, NURBS…


3.2 Le modèle Solide Grâce à un système de modélisation solide, un modèle solide (qui est ni filaire ni surfacique) est utilisé comme représentation de base en CAO. La figure suivante montre les éléments de fonctionnement au cœur du système de modélisation solide.

Figure 1.5 : système de modélisation solide. Le modeleur et le générateur de visualisation sont les éléments clés du système de modélisation solide. Le modeleur Le modeleur fournit différents outils qui peuvent être utilisés pour construire et modifier les solides. Ces outils peuvent comprendre:

� les primitives ( atomes de la modélisation), le balayage (extrusion) utilisé pour créer un solide à partir de section en 2D;

� les opérateurs unaires (utilisés pour copier, appliquer les transformations du type translation, symétrie…);

� les opérateurs booléens (utilisés pour combiner deux ou plusieurs solides afin de créer un solide complexe);

� les features (pour créer directement un ensemble fonctionnel). Le modeleur solide peut intégrer des modules d’ingénierie (calcul de structure) et les applications technologiques (usinage, assemblage…). Le générateur de visualisation Le générateur de visualisation permet de créer une image 2D ou 3D du modèle sur l’écran. L’image peut être filaire, montrant toutes les arêtes du modèle; solide (sans lignes cachées); ou ombrée. Le modèle Solide Il permet de représenter des volumes (notion de matière). Le modeleur et le générateur de visualisation sont les éléments clés du système de modélisation solide. Avantages:

� Il est ‘’fini’’ et non ambigu Parce qu’il est fini, il fournit une représentation unique, valable pour toutes les taaches CAO/FAO. Parce qu’il est non ambigu, il est adapté à l’automatisation de la plupart des taaches (sinon toutes) de la CFAO. Des projections très réalistes d’images sont créées pour que le concepteur les visualise ou pour qu’il communique à l’extérieur.


� un modèle solide ne peut pas avoir une face manquante ou une aréte isolée. Ainsi, des erreurs ou des des constructions impossibles peuvent étre évitées.

� fournit les méthodes générant des formes de haut niveau (raccordement, dépouille...). � il peut étre utilisé pour le calcul des caractéristiques volumiques et massiques (poids,

moment d’inertie…), la modélisation en éléments finis, la génération des trajectoires d’outil, les coupes et les sections ainsi que la détection des interférences.

Limites: � temps de calcul CPU élevé (souvent remédié par un modèle mixte: Filaire-Solide) � espace de stockage élevé

Il existe plusieurs types de modèles solides: • CSG ‘’Constructive Solid Geometry’’ • B-REP ‘’Boundary REPresentation’’ • Modèle Solide par décomposition Cellulaire ‘’ Cell Decomposition’’ • Modèle par Enumération Spatiale ‘’Spatial Enumeration’’ • Modèle Solide Analytique ‘’ASM: Analytic Solid Modeling’’

Le CSG et le B-REP possèdent la plupart des caractéristiques que doit avoir un modèle solide. 3.2.1 Le modèle CSG Les modèles orientés CSG privilégient l’approche matière. Le CSG est par définition une modélisation aussi voisine que possible du processus de construction du solide. L’aspect procédural qui en découle induit une assez grande stabilité des objets produits. La dépendance totale vis-à-vis du processus de construction (c’est-à-dire la non unicité) induit un manque d’intégrité. Dans le cas général, le CSG consiste à décrire les opérations booléennes pour la construction du solide. La composition arborescente de solides représente sous forme d’arbre binaire défini par:

� Un sous-arbre gauche � Un sous-arbre doit � Un opérateur de composition (union, intersection, différence) qui est l’étiquette de la racine.

Chacun des sous-arbres est défini récursivement de la même façon. Les feuilles de l’arbre représente les primitives solides ou solides canoniques tels que:

� les parallélépipèdes � Les sphères � les cylindres � les cônes � les tores, etc…

L’édition d’un ‘’arbre CSG’’ (ou ‘’arbre booléen’’) donne une consistance au modèle, en ce sens qu’il est à tout moment re-interprétable (cf. Figure suivante)


3.2.2 Le modèle B-REP Les modeleurs orientés B-REP privilégient l’approche surface. Il s’agit ici de représenter la frontière (ou peau de solide). L’information stockée est généralement géométrique et topologique.la topologie décrit comment les éléments de la géométrie sont connectés. Ces éléments sont les sommets, les arêtes et les faces. Ils sont stockés sous forme de nœuds dans un tableau et des pointeurs qui indiquent la connectivité. La topologie représente 80% du modèle par rapport à la géométrie (20%). 3.2.3 Modèle mixte CSG B-REP Les observations précédentes mettent en évidence une complémentarité des deux modèles CSG et B-REP, au moins en ce qui concerne l’intégrité et la stabilité. Assurer entre eux une cohérence totale (ce qui impose d’offrir les mêmes services sur les deux modèles est un problème non résolu à ce jour. Des compromis sont néanmoins proposés :

⇒ Simuler un service B-REP par un service booléen de moins bonne qualité (exemple proposer un ‘’fillet’’ par union ou soustraction).

⇒ Interdire les ‘’services ‘’ CSG non triviaux (tels que les modifications directes sur l’arbre relatives aux primitives ou aux opérations).

⇒ Introduire systématiquement une définition procédurale de satomes du modèle B-REP permettant de les raccrocher aux primitives deu modèle CSG.

3.2.4 Autres modèles solides Décomposition cellulaire (‘’Cell Decomposition’’) Un solide est décrit sous forme d’un ensemble de volumes élémentaires appelés cellules. Ces cellules sont assemblées sans intersection.


La décomposition cellulaire ressemble du point de vue topologie au modèle CSG où l’union est la seule opération booléenne autorisée. Cette technique n’est pas très utilisée, mais elle est à la base du calcul par la méthode des éléments finis. L’analyse de forme complexe est approximé par l’analyse d’un assemblé d’éléments simples constituant cette forme.

� La décomposition cellulaire est non ambiguë. Elle n’est pas unique (la décomposition du solide en petits volumes peut se faire de différents manières). Deux méthodes de décomposition : Grille Régulière Par cette méthode, appelé aussi ‘’Spatial Occupancy Enumeration’’, le domaine 3D est décomposé en cellules de formes cubique ayant les mêmes dimensions appelés ‘’Voxel’’. Plus le voxel est petit plus la précision pour représenter les formes courbes augmente et par conséquent un accroissement de l’espace de stockage et du temps de calcul.

⇒ Cette solution est unique et non ambigu. Encodage Binaire ‘’Octree’’ L’encodage binaire ‘’Octree’’ (encodage ‘’Quatree’’ en 2D) est une généralisation de la méthode par énumération spatiale où les cellules peuvent avoir des dimensions variables. La structure hiérarchique de l’octree met en évidence une décomposition récursive d’un objet en cubes de dimensions variables. Instanciation de primitives L’instanciation de primitives est basée sur la notion de familles d’objet. Une famille appelée aussi primitive générique est constituée d’objets ayant la même géométrie mais des dimensions différentes. Chaque objet d’une famille est appelé instance.

⇒ Ce modèle est unique et non ambigu Extrusion ou ‘’Sweep’’ Dans cette représentation un solide est défini en tant que volume extrudé. La méthode de construction consiste à extruder un profil composé de segments de droite et d’arcs de cercle le long d’une courbe appelée directrice pour faire un tube. Cette méthode consiste aussi à faire tourner ce profil autour d’un axe pour faire un solide de révolution. Modèle Solide Analytique Le modèle solide analytique ‘’ASM : Analytic Solid Modeling’’ permet de représenter un solide par une formulation paramétrique 3D utilisant trois paramètres u,v, w. c’est une extension des formulations paramétriques des courbes (u) et des surfaces (u, v). Comme pour les surfaces, un solide décrit par ses coordonnées cartésiennes x, y, z est transformé ‘’Mapping’’ en un espace paramétrique 3D pour obtenir un solide paramétré. 3.3 Intégration du 2D filaire avec les solides

En dépit de leurs limitations, les capacités de la modélisation 2D continueront à constituer un service utile pour tout système CAO basé sur la modélisation solide. Deux activités demeurent essentielles aujourd’hui :

• Les plans destinés à la production : les plans peuvent être tracés à partir des modèles solides. Ces plans sont alors détaillés et achevés grâce aux capacités du système.


• Génération de coupe 2D. Elles sont extrudées ou subissent une révolution pour engendrer des solides. Ces coupes peuvent être initialement des modèles filaires 2D provenant d’autres systèmes CAO. Ils peuvent représenter des ébauches qui n’ont pas encore été modélisées en solide.

3.4 Intégration du 3D filaire avec les solides Contrairement aux modeleurs précédents, de nombreux systèmes de CAO possèdent actuellement les deux modes de représentation 3D filaire et solide. Dans la plupart des installations, les deux sont utilisées. Certains expliquent cet état de fait pour des raisons de performance dans la mesure où le 3D filaire est mieux adapté à certaines applications. La figure suivante présente le modèle 3D filaire (a) d’une pièce (b)

4. Conclusion : La CAO du futur

L’analyse des systèmes de CAO les plus modernes et ceux encore au stade de prototypes permet d’entrevoir plusieurs directions d’évolution des outils de CAO.

Les progrès des composants électroniques et des équipements informatiques entrainent une diminution permanente, à performances égales, du cout des éléments matériels des systèmes de CAO ; ce phénomène a deux conséquences directes : mettre les outils de CAO à la portée d’un plus grand nombre d’utilisateurs et de professions et améliorer de façon sensible les performances et les fonctions des systèmes de CAO.

La puissance et la vitesse de traitement, les volumes des données manipulés et la capacité de mémorisation des ordinateurs utilisés dans les applications de CAO augmentent aujourd’hui très rapidement. Il en résulte, d’une part, la possibilité de mise en œuvre de solutions algorithmiques plus puissantes qui ne pouvaient être retenus antérieurement pour des raisons économiques, d’autres part un élargissement des banques de données et des banques d’algorithmes.


De ce fait les systèmes de CAO voient, à la satisfaction des utilisateurs, leur portée s’étendre en raison d’une intégration plus poussée des programmes d’application entre eux et d’une meilleure communication entre les divers types de descriptions et des données relatives aux produits à concevoir.

Lorsque l’on imagine l’environnement industriel de demain, on pressent la venue de quatre types de changements essentiels :

� La représentation des objets et des données sera faite dans des mémoires d’ordinateur plutôt que sur le papier (ce qui est peut être un danger pour la civilisation).

� La construction de nombreuses bases de données dont la plupart seront reliées à des réseaux informatiques interconnectés.

� Le développement de programmes experts qui seront capables à la fois de vérifier la cohérence et la validité des informations contenues dans une base de données et de rechercher les implications de l’interaction des informations issues de bases de données distinctes et distantes. Ces systèmes ne seront pas figés et pourront être modifiés avec une relative facilité par le concepteur.

� L’élargissement de la ‘’bande passante’’ pour la communication à la fois graphique et orale entre l’homme et l’ordinateur par l’adaptation des interfaces aux facultés sensorielles et intellectuelles de l’homme.

On peut s’attendre à ce que ces changements conduisent à une modification profonde sur la nature et les conditions de travail.

Lorsque l’ingénieur ou le technicien aura besoin de consulter une donnée ou un dessin, il se fera sur un terminal écran ou graphique. Lorsqu’il devra traiter un groupe de composants et des produits relativement étendu, il n’aura pas à se soucier lui-même de la manière dont ces éléments s’assemblent, peuvent être fabriqués dans l’usine, ou si les matières premières et les machines nécessaires à leur fabrication seront disponibles.

Ces problèmes seront directement traités par les systèmes de CFAO qui seront dotés d’outils logiciels à fortes capacités de déduction.

Conception assistée par ordinateur

Documents

Transcript of Conception assistée par ordinateur