Préparation de données pour la modélisation de l’environnement extérieur

L’environnement extérieur d’une pièce à manipuler est modélisé à partir d’un modèle CAO d’un produit auquel on a soustrait le modèle de la pièce en question. En fonction d’un objectif de simulation, l’environnement extérieur peut représenter le produit complet avec/sans des simplifications ou bien un domaine particulier bien détaillé du produit. Dans tous les cas, le modèle CAO initial (maquette numérique) sera converti en maquette virtuelle ou DMU (Digital Mock-Up) avec certaines modifications au cours de la préparation de données.

La première cause de ces modifications est sans doute la conversion de la maquette numérique en modèle facettisé, i.e. adapté à la simulation dans un environnement de RV. Cette conversion est essentiellement liée aux contraintes des cartes graphiques [Fuchs & al. 2001]. Dans la plupart des cas, c’est le langage VRML (Virtual Reality Modeling Language), standard aujourd’hui, qui est couramment utilisé afin de pourvoir représenter n’importe quel modèle géométrique 3D sous la forme d’un ensemble de facettes planes (en général des triangles). Ce type de modèle permet de visualiser des scènes virtuelles 3D en temps réel, de détecter des collisions avec des obstacles tout en étant intéressant pour les calculs de structures lorsqu’il est adapté à la MEF. En effet, le niveau de facettisation (ou discrétisation) est souvent variable en fonction d’une précision souhaitée pour la visualisation. Ainsi, en fixant un certain facteur de discrétisation, la géométrie initiale d’un objet 3D est représentée sous la forme appropriée, compatible avec celle requise pour la simulation temps réel dans un environnement de RV.

Par ailleurs, une telle représentation facettisée peut être aussi une source d’« allégement » de la maquette virtuelle en terme de taille de modèle et donc, d’exploitation encore plus efficace au niveau du temps de calcul. Cependant, l’allégement de maquette virtuelle ne signifie pas forcement la simplification de modèle. En effet, la simplification suppose souvent la suppression de certains détails géométriques du modèle assez « lourds » en terme de taille du modèle et inutiles pour des manipulations virtuelles. Toutefois, la simplification excessive de modèles peut conduire à des erreurs de simulation, par exemple, la non-identification d’une collision réellement existante, mais impossible à détecter à cause d’une géométrie trop simplifiée. En revanche, l’allégement conduit surtout à un modèle ayant une géométrie généralement quasiment identique au modèle initial, mais avec une triangulation différente, due à un remaillage du modèle en vue de diminuer le nombre de triangles, par exemple. Toutefois, on combine souvent le remaillage du modèle avec la suppression d’un certain nombre d’éléments « encombrant » en terme de taille du modèle. En particulier, la suppression de petits trous mène fréquemment à un allégement considérable de maquette virtuelle [Fine 2001], [Fine & al. 2002], [Lovinfosse & al. 2002].

Néanmoins, il est souvent difficile de transformer directement la maquette numérique initiale en maquette virtuelle facettisée. En réalité, de nombreux défauts sont présents dans le modèle CAO initial : problème de connexion des carreaux pour des modèles surfaciques générant des discontinuités dans des modèles polyédriques, problème dans la structure de données après transformation en modèle polyédrique (nœuds non-reliés, existence de nœuds ou arêtes doubles, etc. [Fine 2001]). De plus, les maquettes numériques d’un produit industriel complet sont couramment très volumineuses, ce qui est un facteur très important pour la simulation virtuelle temps réel. Donc, la création et le pré-traitement spécifique d’un modèle numérique intermédiaire, représenté sous une forme polyédrique, visent à contourner certaines difficultés rencontrées durant le processus de génération de maquette virtuelle : défauts du modèle CAO initial, allégement et simplification de la maquette numérique, etc. Ces opérations constituent ainsi d’autres types de modifications du modèle numérique initial au cours du processus de préparation de données.

En ce qui concerne les méthodes de simplification de modèles, elles sont couramment basées sur un processus piloté par un facteur fixé préalablement : taux de réduction du nombre de facettes ou enveloppe bornant les variations de forme. Par ailleurs, il est également possible d’introduire une notion de niveau de détails [Eck & al. 1995], [Hoppe 1996], [Ronfard & al. 1996]. Une approche

intéressante permettant de réaliser une simplification non-uniforme de tout le modèle est développée au sein du laboratoire 3S de Grenoble [Véron & al. 2001], [Fine 2001]. Cette approche est basée sur un critère d’un écart géométrique et permet de simplifier le modèle en terme de triangulation adaptée, allégeant considérablement le modèle tout en préservant une bonne qualité (précision géométrique) globale de ce modèle.

Un autre type de simplification possible au cours de la préparation de données est la suppression de différents éléments jugés inutiles pour la simulation virtuelle. Cette procédure comprend la suppression tant des petits éléments, comme les trous, les nervures, etc., que des éléments cachés ou se trouvant à l’intérieur d’un objet virtuel, constituant par exemple l’environnement extérieur pour une pièce à manipuler. De plus, il est également possible d’extraire une partie détaillée du modèle CAO initial, qui n’est utile que pour une étude fine d’une manipulation virtuelle dans une zone définie localement qui représente par exemple un environnement extérieur pour une pièce flexible. Dans ce cas, il est n’est pas raisonnable d’utiliser le modèle complet du produit, mais uniquement un sous-ensemble représentant cette zone locale.

Ainsi, la préparation de données d’entrée pour la modélisation de l’environnement extérieur d’une pièce dans un environnement de RV et, en particulier, dans un système de simulation d’opérations d’A/D ou de maintenance virtuelles comprend généralement les étapes suivantes, adaptées en fonction de l’objectif de la simulation :

1. L’identification/séparation d’un modèle CAO (maquette numérique) qui va servir de base pour la modélisation d’un environnement virtuel extérieur (maquette virtuelle adaptée).

2. La transformation de la maquette numérique en modèle polyédrique, permettant d’identifier et de corriger des défauts de construction de la maquette numérique initiale.

3. La correction, l’allégement, la simplification du modèle intermédiaire polyédrique. A l’issue de cette étape, la maquette numérique adaptée aux simulations virtuelles en temps réel est générée.

4. La génération d’une maquette virtuelle à partir de la maquette numérique adaptée par l’intermédiaire d’un convertisseur de RV donné (par exemple, le langage VRML).

5. L’enregistrement de la maquette virtuelle dans la base de données environnementale. Cette maquette adaptée représente désormais un environnement virtuel extérieur pour une pièce donnée à manipuler, valable pour la séquence d’A/D correspondante.

3.6. Conclusions

Ce chapitre a présenté une méthodologie de simulation des opérations d’A/D et de maintenance virtuelles compte tenu de différents modes d’analyse des opérations ainsi que des spécificités d’une modélisation réaliste de comportement de pièces déformables. Les particularités principales de la méthodologie proposée sont :

• l’adaptation de cette méthodologie aux simulations virtuelles grâce à différents éléments parmi lesquels les principaux sont :

- l’utilisation d’interfaces comportementales de RV, - l’intégration/préparation de modèles issus de la CAO,

- l’utilisation de métaphores d’interactions adaptées, décrivant certaines données d’entrée/sortie dans les espaces des efforts et des configurations,

- l’intégration et l’interaction de différents modèles mécaniques de pièces déformables,

• différents niveaux d’analyse des manipulations virtuelles de pièces déformables basés sur une architecture particulière de module de simulation de ces pièces avec :

- la simulation d’un comportement de pièces déformables à deux niveaux à partir de l’interaction et/ou le recalage de deux types de modèles généraux : le MTR (Modèle Temps Réel) et le MMI (Modèle Mécanique Interactif),

Chapitre 3. Méthodologie de simulation d’opérations d’A/D

- le contrôle de paramètres complémentaires, liés au comportement de pièces déformables, en fonction du niveau d’analyse d’une simulation donnée,

• la définition de paramètres de pièces flexibles afin de pouvoir générer une déformation plus réaliste, i.e. des paramètres :

- liés au modèle mécanique choisi : CLs géométriques et mécaniques, géométrie et l’état initial de la pièce flexible, etc.,

- caractérisant le comportement physique d’un matériau utilisé,

• l’intégration de cette méthodologie dans la démarche globale de développement d’un produit : - l’interaction forte avec la CAO : utilisation de modèles CAO issus des phases

antérieures de conception, modification des modèles durant la manipulation virtuelle, etc.,

- l’étude, l’analyse, l’évolution d’un produit en fonction des résultats de simulation : évolution locale de l’environnement d’une pièce manipulée, modification des paramètres géométriques/matériau de cette pièce, etc.,

- l’optimisation du processus d’assemblage, de maintenance, etc. compte tenu des critères d’accessibilité, d’assemblabilité, d’ergonomie, des critères mécaniques et technologiques vis-à-vis du comportement mécanique de pièces déformables ; la recherche de trajectoires d’A/D, etc.

La première question concernant la méthodologie proposée est la nécessité de développer des liens entre la CAO et la simulation virtuelle, en particulier, l’étude des opérations d’A/D virtuelles d’un produit donné. En effet, cette étude peut être rattachée à des données de conception du produit déjà disponibles, notamment, au modèle numérique de ce produit. Ceci simplifie fortement le processus de préparation de différentes données, par exemple, la modélisation de l’environnement extérieur de la pièce à manipuler. Cependant, ce processus n’est pas un transfert direct de données à cause de différents problèmes, comme les défauts de construction du modèle CAO du produit ou les contraintes de simulation temps réel nécessitant la représentation de tout objet virtuel sous la forme d’un modèle facettisé ou encore l’objectif de simulation qui nécessite une forme adaptée du produit. Dans ce chapitre, nous avons donc discuté un certain nombre de ces problèmes faisant partie de la méthodologie de simulation des opérations d’A/D virtuelles.

Il est important de souligner que des liens entre la conception du produit, la CAO et les simulations virtuelles ne se réduisent pas à ces échanges de données unidirectionnels, i.e. l’utilisation d’une maquette numérique d’un produit pour une phase de développement donnée. En effet, nous avons également signalé un retour d’information durant l’étude, l’analyse des opérations d’A/D. Notamment, il est possible d’avoir un retour d’information lié à des modifications locales de l’environnement extérieur de la pièce manipulée à partir des actions de l’opérateur (trajectoires d’A/D libres de collisions, minimisation des efforts à développer, divers problèmes d’assemblabilité, etc.), du contrôle des paramètres ou des variables de conception (géométrie déformée de la pièce flexible, état de contrainte, etc.), des modifications dans la séquence d’A/D, etc. Ce retour d’information forme ainsi une boucle de conception, ce qui peut donc entraîner des modifications du produit. Par conséquent, il est nécessaire de pouvoir effectuer ces modifications sur la maquette numérique ou mieux, sur la maquette virtuelle sans passer par la régénération d’un modèle CAO et d’un modèle intermédiaire polyédrique, la simplification de ce dernier et la régénération d’une nouvelle maquette virtuelle adaptée. Il est donc souhaitable de réaliser toutes les modifications nécessaires de l’environnement virtuel extérieur, de la géométrie de la pièce manipulée, etc. directement sur les modèles virtuels avec la mise en jour automatique des modèles CAO initiaux à la fin de l’étude/optimisation du produit faite dans un environnement de RV.

Il convient également de noter que la méthodologie proposée est facilement utilisable dans la simulation du comportement de pièces déformables à l’aide des environnements actuels de RV. En effet, la structure modulaire de ces systèmes permet d’intégrer un module de simulation de pièces déformables dont une architecture a été également discutée dans le présent chapitre. Cette architecture est basée sur l’interaction/recalage des modèles MTR/MMI, exploitables selon un niveau requis de modélisation (rapide et peu précis, détaillé, réaliste mais moins rapide), et tient compte de la contrainte

de temps de réponse pour la génération de déformation de pièces ainsi que l’évolution des paramètres supplémentaires, comme les efforts réalistes requis, la courbure de la pièce déformée, l’état de contrainte dans la pièce, etc. Dans le cas de simulation détaillée et réaliste, ce qui est particulièrement important pour l’analyse des opérations d’A/D, de maintenance, pour la justification des modifications possibles d’un produit, etc., l’interaction de modèles MMI et MTR est nécessaire afin de pouvoir produire une simulation en temps réel.

L’intégration des modèles mécaniques adaptés de pièces déformables, i.e. suffisamment rapides pour être utilisables dans le contexte de simulation virtuelle, suppose la définition minutieuse des données d’entrée dont le nombre et le caractère sont variables selon le modèle mécanique sélectionné. Ceci est un facteur important : les données d’entrée influent directement sur la qualité de simulation du comportement de la pièce déformable ! En particulier, il est nécessaire de faire un bon choix pour :

• les interfaces motrices/sensori-motrices de RV, i.e. la simulation dans les espaces des efforts ou des configurations, compte tenu des avantages et des inconvénients de réalisation ces dispositifs fournissant les CLs géométriques/mécaniques,

• les hypothèses liées à la définition des caractéristiques du matériau de la pièce virtuelle déformable à manipuler.

Les impacts d’un choix des interfaces de RV sur la qualité de simulation du comportement de pièces flexibles sont discutés au chapitre 2. En ce qui concerne la définition des caractéristiques du matériau, cet aspect est lié, d’une part, à la modélisation mécanique du comportement de pièces, ce qui doit être pris en considération lors du choix du modèle mécanique (par exemple, le matériau homogène et isotrope, soumis à des petites ou des grandes déformations,…), et d’autre part, à la détermination de ses caractéristiques. Les paramètres de la pièce déformable, caractérisant les propriétés du matériau, sont :

• fixés à partir des abaques ou des bases de données si les propriétés du matériau sont connues,

• déterminés expérimentalement à partir de l’établissement et de l’approximation d’une loi de comportement du matériau si ces propriétés sont inconnues.

La caractérisation des propriétés d’un matériau inconnu nécessite donc la mise en place d’une série des tests expérimentaux afin d’établir une loi de comportement de ce matériau. Nous avons également proposé dans ce chapitre une méthode de détermination rapide et peu onéreuse des caractéristiques d’un matériau de pièces flexibles de type poutres flexibles soumises à des grands déplacements en flexion, ce qui est souvent le cas durant les opérations d’A/D de pièces de type poutres. Le modèle mécanique utilisé ainsi que des aspects numériques de mise en place de ce modèle seront discutés dans les chapitres 4 et 5. Cependant, il convient de souligner que la détermination expérimentale des caractéristiques du matériau et, en particulier, d’un module d’Young constant pour un mono-matériau et de module constant équivalent pour un multi-matériaux, comprend un traitement numérique basé sur un modèle continu de poutres flexibles soumises à des grands déplacements dans le domaine des petites déformations.

En effet, l’approximation de la loi de comportement est un facteur important définissant les hypothèses à mettre œuvre pour le comportement du matériau et influençant directement la qualité, le réalisme de la simulation rapide de pièces déformables. Les aspects d’intégration de lois de comportement linéaires et non-linéaires, mais approximées linéairement dans le domaine des petites déformations, sont discutés dans ce chapitre, car il semble important d’utiliser l’approximation linéaire de la loi de comportement d’un matériau, qui en réalité ne suit pas la loi de Hooke, dans le cas des simulations virtuelles de pièces flexibles soumises à des grands déplacements. Toute simulation virtuelle doit être extrêmement rapide, alors l’approximation linéaire globalement ou localement de la loi de comportement est particulièrement adaptée aux simulations en temps réel. Toutefois, l’hypothèse de petites déformations est conservée, et le choix d’un modèle mécanique doit donc tenir compte de cet aspect.

Chapitre 4. Modèle mécanique de pièces flexibles de type « poutres flexibles »

Chapitre 4

Modèle mécanique de pièces flexibles