Analyse des méthodes d’A/D virtuel

L’assemblage virtuel représente un outil performant, alternatif et complémentaire aux approches (semi-)automatiques de simulation des opérations d’A/D. Cet outil propose les fonctionnalités particulières comme l’interaction avec des objets virtuels, la visualisation temps réel du processus et des résultats de simulations des opérations d’A/D et de maintenance avec l’étude possible d’un processus de désassemblage particulier, la possibilité d’évaluer localement mais plus finement une opération donnée en temps réel en se basant sur des critères quantitatifs et qualitatifs, etc.

Parmi des approches courantes de simulation d’A/D virtuel (approches interactives, non-interactives) présentées dans les sections précédentes, ce sont les méthodes interactives qui présentent un intérêt particulier pour des évaluations plus complètes des opérations d’A/D et de maintenance. En effet, ces méthodes comportent des techniques d’interaction directe avec un objet virtuel (sa manipulation, sa perception en terme d’efforts appliqués,…), la visualisation du processus de manipulation et les de simulations associées, le contrôle d’interférences, la prise en compte d’un comportement mécanique des pièces au cours de la manipulation, l’immersion totale d’un être humain afin de prendre en considération la présence d’un opérateur, etc. De plus, la possibilité d’évaluation quantitative/qualitative et directe du processus et des résultats de simulation d’A/D virtuel par différents acteurs concernés par le développement d’un produit ouvre des horizons pour l’intégration des outils de simulation virtuelle dans différentes phases de la conception tout au long du processus de développement simultané, intégré.

Ainsi, les résultats de manipulations virtuelles et notamment, de simulation des opérations d’A/D et de maintenance peuvent être utilisés dans le processus d’optimisation d’un produit dès les premières phases du développement sans la fabrication de nombreux prototypes physiques très coûteux en termes de temps et de prix, en réduisant les tests d’A/D. Cependant, les résultats de ces simulations doivent être réalistes afin de pouvoir les utiliser dans les optimisations des caractéristiques du produit et des opérations requises pour la production, la maintenance, etc. En particulier, cet aspect de validation de résultats, l’utilisation des résultats réalistes dans l’étude/optimisation des opérations d’A/D et de maintenance devient un problème important pour des industriels lorsqu’il s’agit de la simulation des opérations d’A/D de systèmes mécaniques contenant des pièces déformables comme des tuyaux flexibles, des durits, des câbles, des anneaux élastiques, des tôles, etc.

En ce qui concerne la simulation des opérations d’A/D et de maintenance de pièces flexibles, la simulation correcte de ces opérations ne peut plus être réalisée par une simple manipulation d’un objet à caractère rigide avec la génération de mouvements séquentiels et linéaires. Dans ce cas, c’est la modélisation d’un comportement physique de pièces flexibles qui est mise en jeu. En effet, l’étude et l’amélioration des opérations d’A/D, de maintenance, etc. du point de vue de la conception, de l’assemblabilité, de la maintenabilité, de l’ergonomie, les modifications éventuelles au niveau de la géométrie et du matériau de pièces flexibles ainsi que les modifications « locales » de géométrie de l’environnement, le contrôle des interférences entre une pièce flexible et son environnement extérieur, la génération de trajectoires réalistes d’A/D, etc. supposent la génération de la géométrie déformée et des efforts à développer réalistes associés à la pièce déformable. Les valeurs réalistes de ces caractéristiques ne peuvent être obtenues qu’à partir d’une modélisation correcte du comportement de pièces flexibles. Ceci nécessite donc l’intégration de modèles physiques de telles pièces flexibles dans un environnement de simulation des opérations d’A/D virtuel.

En effet, deux aspects importants sont mis en jeu lors de la manipulation de pièces flexibles dans un environnement de RV : la modélisation d’un comportement réaliste de pièces flexibles au cours de leur manipulation et la génération d’informations associés à la géométrie déformée de ces pièces ainsi qu’aux efforts requis en temps réel. Ainsi, les modèles mécaniques de pièces flexibles doivent être suffisamment rapides afin d’assurer la fluidité des images durant la simulation virtuelle. Malheureusement, il n’y a que peu d’approches parmi des systèmes actuels de simulations des opérations d’A/D virtuel qui incorporent un modèle rapide de comportement mécanique de pièces flexibles. Ces approches, essentiellement basées sur des modèles de comportement de pièces

Chapitre 1. Méthodes et outils en conception mécanique

déformables dans le domaine des petits déplacements ou sur des modèles mécaniques simplifiés de pièces flexibles travaillant le domaine de grands déplacements, seront présentées au chapitre 2. Notons, néanmoins, que ces approches ne répondent pas ou ne répondent que partiellement aux problèmes de simulation de pièces flexibles évoqués dans les sections précédentes.

1.4. Conclusions

L’utilisation maintenant habituelle de la CAO au sein d’une entreprise, l’exploitation de plus en plus courante d’une maquette numérique dans l’industrie, le besoin d’aller toujours plus vite à moindre coût dans la conception d’un produit stimulent les ingénieurs et les chercheurs pour le développement d’outils logiciels toujours plus performants. Notamment, les outils utilisés couramment en conception permettent de créer une représentation tridimensionnelle d’un nouveau produit, de modéliser son comportement, de vérifier/optimiser certains aspects conceptuels et donc, de valider le produit avant même de le fabriquer. Désormais, la simulation basée sur l’utilisation d’une maquette numérique intervient tout au long du processus de développement d’un produit dès les premières phases de conception jusqu’à la vente : la modélisation mécanique des structures, la simulation des mécanismes, le calcul de phénomènes très complexes comme le crash ou l’aérodynamisme, la génération des gammes de fabrication, la simulation des opérations d’usinage et d’A/D, etc.

Parmi ces outils actuels de CAO/CFAO, la RV occupe une place de plus en plus considérable : elle propose aux concepteurs non seulement la visualisation réaliste d’un produit numérique complexe par exemple pendant la revue d’un projet, mais aussi permet de simuler et d’optimiser certaines actions ou opérations difficilement modélisables et contrôlables en utilisant des outils habituels de CAO. Notamment, la RV offre des fonctions particulières comme la modélisation d’environnements extérieurs complexes dans lesquels le produit virtuel sera placé, la possibilité d’interagir avec des objets virtuels et même de percevoir certaines de leurs propriétés, l’immersion dans un monde virtuel, l’étude et l’analyse d’un comportement complexe d’une structure en temps réel lors de sa manipulation virtuelle, etc.

Le principal avantage de l’utilisation des outils de CAO et de RV dans le développement d’un nouveau produit est la réduction forte du nombre de tests liés à la vérification/optimisation du futur produit comme les tests de résistance, les études d’accessibilité, l’optimisation des opérations d’A/D. Par conséquent, une telle réduction entraîne une diminution importante du nombre de prototypes physiques à fabriquer, ce qui permet de réduire considérablement le temps et le coût du cycle de développement du produit en augmentant constamment sa qualité [Gomes & al. 1998], [Chedmail & al. 2001]. Auparavant, il était nécessaire de créer dans certains cas jusqu’à 80 prototypes physiques pour des tests divers afin de pouvoir valider entièrement un nouveau modèle d’avion (d’après des données de Dassault Aviation). Maintenant ce chiffre est fortement diminué. Le groupe PSA a des objectifs de réduire de trois à de deux ans le temps de développement d’un nouveau modèle de véhicule (d’après le chef de projet J.-J. Urban-Galindo [PSA 2004]). La création d’une représentation entièrement numérique d’un produit améliore aussi la qualité des relations entreprise-fournisseurs. Par exemple, toujours chez le PSA, grâce au partage des données associées au produit représenté sous forme virtuelle (maquette numérique), les concepteurs ont la possibilité de bénéficier d’un savoir-faire des fournisseurs en travaillant en parallèle avec eux sur un projet donné en temps réel. Les gains sont évidents : la diminution de temps et de coût de développement du produit, ce qui est important pour celui qui conçoit et fabrique dans le contexte de compétitivité globale.

Les fonctionnalités offertes par la RV, la possibilité de partage des données sous forme numérique, la résorption de la distance entre les différentes unités de l’entreprise permettent maintenant de parler d’ateliers et d’usines virtuels. Par exemple, le groupe PSA a fait un choix stratégique qui consiste à passer à un niveau plus évalué dans le processus de développement du produit, ce qui par ailleurs a déjà apporté ses fruits. La simulation des ateliers virtuels grâce à des technologies d’usine numérique plus le partage de la maquette numérique et l’échange/intégration des compétences des bureaux d’études des fournisseurs ont permis de diviser par deux les diverses anomalies du point de vue de leur nombre et de leur temps de résolution.

En ce qui concerne les applications d’assemblage, il est possible de construire une chaîne d’assemblage virtuelle (exemple d’un atelier numérique) et donc, de développer le produit et en même

temps que son processus de fabrication. Cela permet en conséquence d’identifier, de prévoir des difficultés de fabrication bien avant la phase de lancement effectif de production et ainsi d’éviter leur résolution souvent trop coûteuse lorsque les moyens de production sont déjà mis en place. En simulant le processus d’assemblage virtuellement, il est facile de vérifier l’accessibilité à tel ou tel composant, d’estimer le temps de passage d’un poste de travail à l’autre, de prendre en compte des aspects ergonomiques et même de s’assurer dans le cas d’assemblage robotisé que les mouvements des robots sont possibles et optimiser ces mouvements.

Toutefois, malgré les avantages particulièrement intéressants de la simulation virtuelle en ce qui concerne le développement d’un produit mécanique et l’élaboration parallèle des procédés de fabrication dans le contexte de concurrent engineering, il existe des contraintes spécifiques dues notamment à la conception d’un process d’A/D. En effet, comme on l’a vu précédemment, les opérations d’A/D sont extrêmement diversifiées, un outillage à utiliser lors d’une opération d’A/D dépend de sa nature (manuelle et nombre de mains ou de monteurs, robotisée), les composants à assembler sont à caractère rigide ou déformable et peuvent subir une déformation considérable lors de la phase de manipulation. Il existe également un problème de choix en ce qui concerne le placement du monteur, la manière dont l’opération sera réalisée, les différentes possibilités de saisir une pièce à assembler, etc. Ainsi, il convient de noter que l’A/D virtuel est caractérisé par un haut niveau d’interactivité dû à la diversification des techniques d’assemblage, des composants ainsi qu’au facteur humain.

A ce jour, il n’existe pas de simulateur virtuel permettant de prendre en considération les contraintes de simulation d’A/D énumérées ci-dessus. La plupart des outils de simulation d’A/D virtuel ne permettent que la réalisation des déplacements d’un objet virtuel à caractère rigide, une perception des propriétés physiques comme la rigidité ou le poids d’un objet virtuel déplacé, la perception d’efforts très approximatifs dus à des collisions avec des obstacles dans l’espace, la visualisation et l’immersion d’un être humain dans le monde virtuel. Jusqu’à présent, l’utilisation de tels outils fut suffisante pour le concepteur. Maintenant, l’objectif lors des études d’A/D basées sur la simulation virtuelle est de considérer en temps réel des phénomènes complexes ayant lieu pendant telle ou telle opération d’A/D. Notamment, on parle de plus en plus d’un besoin de quantifier de manière adéquate la déformation des composants durant leurs manipulations virtuelles, d’évaluer rapidement et correctement des paramètres mécaniques mis en jeu durant de telles manipulations, de permettre d’extraire et d’exploiter efficacement une information réaliste issue de ces manipulations dans l’étude et l’analyse plus approfondies ainsi que l’optimisation du processus d’A/D et de maintenance.

Compte tenu de ces besoins industriels forts, formulons ainsi l’objectif de cette thèse. Les travaux de la présente thèse ont pour le but de :

• proposer une méthodologie générale pour la simulation des opérations d’A/D et de maintenance virtuelles de pièces déformables. Cette méthodologie doit :

- contenir toutes les étapes importantes à suivre dès la phase de définition des objectifs de simulation d’A/D jusqu’à la phase d’analyse des résultats et l’optimisation du processus d’A/D,

- tenir compte des réalités industrielles comme l’utilisation complémentaire des outils classiques de CAO, la réalisation d’expérimentations si nécessaire et à moindre coûts, etc.,

- permettre à des concepteurs d’étudier/analyser/optimiser une opération d’A/D virtuelle donnée d’une pièce déformable à partir d’un certain nombre de paramètres d’évaluation d’A/D à fournir par le système de simulation virtuelle,

• contribuer au développement de méthodes permettant la modélisation réaliste et rapide d’un comportement de pièces flexibles subissant un changement important de forme au cours de leur manipulation d’A/D virtuel. De ce fait, il convient de :

- s’appuyer sur une modélisation mécanique afin de pouvoir considérer de façon réaliste des changements de forme des pièces souples, notamment, des composants modélisés par une poutre flexible soumise à des grands déplacements géométriquement non-linéaires,

Chapitre 1. Méthodes et outils en conception mécanique

- tenir compte de l’importance du temps de calcul au cours de la modélisation numérique qui représente la contrainte principale de toute simulation en RV,

- considérer l’aspect d’intégration des modèles mécaniques et, en particulier, le modèle de poutres flexibles dans un système de simulation de RV. Une telle intégration se résume à l’adaptation du modèle mécanique à des interfaces couramment utilisées en RV, notamment, la différenciation entre les données d’entrée/sortie et la modélisation des conditions aux limites,

• proposer aux fabricants des interfaces de RV une stratégie de développement de nouveaux dispositifs de RV afin de pouvoir réaliser efficacement et le plus naturellement possible une simulation d’A/D virtuelle. Une telle stratégie est basée sur :

- la prise en compte de la nature d’une action physique réalisée par un être humain et donc transmise le plus naturellement possible à un objet virtuel rigide ou déformable, - la prise en compte du comportement particulier des objets déformables très peu

considéré jusqu’au présent,

• développer un outil logiciel (démonstrateur basé sur un modèle mécanique de pièces de type poutres flexibles) qui doit :

- tenir compte de certains aspects de la méthodologie de simulation des opérations d’A/D de pièces flexibles,

- permettre aux concepteurs d’étudier/analyser de manière adéquate et rapide une manipulation d’A/D donnée à partir des paramètres réalistes fournis. En particulier, le démonstrateur doit être utilisé pour la planification et l’optimisation de trajectoires d’A/D réalistes au cours de la manipulation de pièces virtuelles flexibles,

- tenir compte de la diversité des opérations d’A/D (manipulation à une ou deux mains), la nature des différentes données d’entrée générées par les interfaces de RV, la contrainte de simulation temps réel, etc.

Chapitre 2