La place de la simulation numérique dans le processus de conception de produit

Suite à ce que nous venons d’exposer, nous pouvons aisément comprendre que les pratiques de la simulation numérique varient beaucoup d’une organisation à l’autre. En effet, certaines organisations privilégient une modélisation spécifique (à l’aide de progiciels dédiés à la simulation),

52 tandis que d’autres intégreront leurs modèles de simulation directement dans les modèles et les processus de CAO, favorisant ainsi l’intégration conception-simulation ; nous parlerons alors d’intégration CAO/Calcul [Benhafid, 2005] (Figure 11).

Figure 11 : principe d'utilisation de l'intégration CAO/Calcul [Benhafid, 2005]

Selon ces approches, la simulation numérique est très liée à la modélisation CAO et est utilisée à différents moments dans le processus de conception pour piloter et aider les concepteurs en fonction de leurs besoins et du niveau de maturité du produit.

Ceci nous amène à identifier plusieurs types de simulation numérique et leur positionnement dans le processus global de conception de produit.

1.2.2.1 Typologie des activités de simulation numérique

Etant donné que la simulation numérique s’appuie sur une maquette virtuelle, elle s’affranchit des limitations du prototype réel et autorise l’exploration de multiples solutions qu’il est possible de tester par le prototype virtuel. De nos jours, la simulation numérique est essentiellement utilisée pour s’assurer d’un niveau de performance et optimiser le système mécanique. En ce sens, "le rêve industriel" serait d’utiliser la simulation à tous les niveaux dans le processus de conception, de façon à concevoir juste du premier coup, tout en évitant la réalisation de prototypes physiques extrêmement couteux.

Ainsi, pour répondre à différents besoins tout au long du cycle de vie du produit, [Charles, 2005] et [Amann, 2010] proposent une typologie des activités de la simulation décrite en Annexe 5, positionnant les pratiques de la simulation numérique en amont ou en aval du processus de conception.

En effet, utilisée plutôt en aval et qualifiée de passive, la simulation intervient de façon séquentielle suite à la modélisation géométrique des composants. Elle permet de contrôler, valider, certifier, comprendre sur la base d’une proposition de solution. Historiquement la plus utilisée, elle met en œuvre des modèles métiers très détaillés dont l’objectif est d’être le plus prédictif possible en ce qui concerne le comportement futur de la pièce. Si les modèles de simulation se basent sur la modélisation géométrique de pièces, ils sont totalement décorrélés de ces dernières, de sorte qu’aucune modification tardive de la géométrie ne peut être prise en compte sous peine de reprendre profondément le modèle de calcul. De fait, ces pratiques de la simulation impliquent finalement peu de collaboration.

Utilisée en amont, le rôle de la simulation devient plus proactif et intégré (simulation indicative et optimisation cf. Annexe 5). Généralement couplée à des modèles CAO simplifiés, elle est utilisée pour tester des architectures et aider les concepteurs dans leurs choix [Gardan et al., 2003] [Assouroko et al., 2009]. Elle met en œuvre des modèles métiers utilisés en parallèle suivant de nombreuses itérations permettant d’explorer plusieurs solutions de conception. Ces pratiques ont un impact considérable sur la collaboration des acteurs, dans la mesure où de nombreux paramètres et règles doivent être échangés entre les modèles, de sorte que les concepteurs convergent vers une solution cohérente. Ce type de simulation tend à se généraliser car elle permet d’optimiser le processus de conception.

53 Compte-tenu des différents types de simulation, plusieurs profils d’acteurs, décrits en Annexe 6, sont nécessaires. Les acteurs, maitrisant un certain nombre de compétences, sont au centre du processus de simulation et interviennent lors de plusieurs phases du processus de conception avec un impact sur la collaboration.

1.2.2.2 L’utilisation de la simulation numérique dans le

processus de conception et l’impact sur la

collaboration des acteurs

La typologie des activités de simulation numérique met en évidence l’utilisation de la simulation lors de phases amont ou aval dans le processus de conception, avec un impact fort sur la collaboration des acteurs. Ainsi, en amont, on utilise la simulation dans des phases de Trade-off et de pré-dimensionnement, dans les phases aval elle intervient essentiellement en dimensionnement. Ces différentes pratiques sont décrites ci-dessous (pour plus d’information, se référer à l’Annexe 7).

Le Trade-off, phase très amont dans le processus de conception, définit les tendances du produit à

réaliser. Elle permet également de définir les spécifications qui devront être prises en compte tout au long du processus de conception. A ce stade, la simulation numérique est utilisée pour simuler de façon globale un système complet, ou de grands ensembles de composants, alors même qu’aucune modélisation géométrique 3D n’existe.

Le pré-dimensionnement, ou conception préliminaire, est une phase de recherche de solution de

conception du produit. Lors de cette phase, il est question de tester plusieurs solutions rapidement et de fixer les architectures qui seront développées en détail par la suite.

Le dimensionnement, ou conception détaillée, est une phase où les solutions de conception sont

identifiées et il s’agit maintenant de modéliser finement les composants d’un système.

Les phases de Trade-off et de pré-dimensionnement nécessitent le recours à de nombreux modèles métiers simplifiés en parallèle. Chaque modèle métier encapsule un nombre limité de règles et de paramètres directeurs (les paramètres essentiels à la définition des premiers principes d’architectures) nécessaires à la recherche d’architecture de composants. Les acteurs doivent collaborer afin de s’échanger ces données, en assurer la cohérence d’un modèle à l’autre, et ce, malgré les très régulières modifications relatives à l’utilisation de boucles de simulation itérative. Ainsi, on peut caractériser ces deux phases de la manière suivante :

• De nombreux modèles hétérogènes utilisés en parallèle utilisés pour définir les principes d’architectures

• Un nombre limité de paramètres et de règles devant être partagés (limité aux paramètres et règles directeurs)

• Les paramètres et les règles régulièrement modifiés • La nécessité d’une forte collaboration

Par opposition, plus les utilisateurs avancent dans le processus de conception, plus le nombre de modèle diminue. La définition des composants évoluant vers un état figé, implique des modifications de paramètres moins fréquentes malgré le fait que leur nombre soit beaucoup plus important en raison du niveau de détail des modélisations.

Ainsi, on peut caractériser la phase de dimensionnement de la manière suivante :

• Moins de modèles métiers car les solutions sont fixées, et il s’agit de définir en détail les composants

• Plus de paramètres et de règles, mais moins de modifications • Des activités plus segmentées et donc moins de collaborations

Ainsi, notre analyse, schématisée Figure 12, illustre les interactions entre utilisateurs, nécessaires à la conception d’un produit en fonction des phases du processus de conception. Cette figure met en évidence l’importance de la collaboration des acteurs autour des paramètres et des règles encapsulés dans les modèles métiers (particulièrement dans le cadre d’approches paramétriques et

54 variationnelles) dans les phases amont (Illustration chez EADS en Annexe 8). Nous observons également que l’intersection entre le niveau de collaboration et le nombre de paramètres s’effectue à la fin de la phase de pré-dimensionnement.

Figure 12 : interactions entre les phases du processus de conception dans lesquels la simulation a un rôle prépondérant

Dans ce contexte, l’utilisation de la simulation, tôt dans les phases de conception, fait émerger des besoins en termes de formalisation et de gestion [Schlenkrich et al., 2004] [Thomas et al., 04]. De plus, dans ces phases, le recours aux approches d’intégration CAO/Calculs (Figure 13) nécessite la mise en étroite relation des modélisations CAO et des modèles de calculs, et donc le partage et la collaboration des acteurs autour des paramètres et des règles à échanger selon plusieurs vues métiers et entre de nombreux outils hétérogènes.

Figure 13: intégration des activités de simulation et de conception

Nous nous intéressons principalement aux phases amont du processus de conception. La simulation numérique y apparaît comme un outil fondamental, accentuant les problématiques de collaboration entre acteurs et d’interopérabilité entre modèles.

Ainsi, la gestion des paramètres et des règles métiers partagées entre un grand nombre de modèles métiers impliqués dans de nombreuses itérations, apparait comme un axe principal d’étude.

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