Synthèse sur le positionnement des travaux :
Les travaux se positionnent au niveau de la préparation de la maquette numérique défi-nie lors des activités de conception vers ses représentations intermédiaires utilisées pour la simulation numérique.
Les méthodologies développées seront appliquées à la transformation de modèles géo-métriques CAO complexes en modèles de calcul par éléments et volumes finis.
Le modèle intermédiaire pour la simulation est un maillage 3D obtenu à partir de l’ex-traction de surfaces bordant le modèle géométrique.
Constats :
Les maquettes numériques sont aujourd’hui complexes et très détaillées ce qui rend leur exploitation directe inadaptée pour la simulation. Pour diminuer les durées de dévelop-pement d’un produit il faut identifier dès le premier essai la représentation intermédiaire la mieux adaptée à l’objectif de la simulation. Cependant, celle-ci n’est pas connue a priori par les concepteurs et les analystes.
Le choix des outils et des opérateurs de préparation et de leurs paramètres de contrôle dépendent du format des maquettes numériques originales et intermédiaires et du type d’analyse mise en œuvre.
Il existe une multitude de processus de préparation d’un modèle intermédiaire pour un objectif de simulation.
Des cas de préparation de modèles intermédiaires existent souvent mais ils ne sont pas exploités dans le cadre de nouvelles simulations.
Face à ces constats, la question de recherche posée est (figure 1.10) :
Comment identifier a priori le meilleur processus de préparation d’un modèle CAO original pour l’adaptation au besoin de la simu-lation numérique ?
Problématique générale
J
Pour identifier le meilleur processus de préparation il sera nécessaire de l’évaluer. Pour cela il faut pouvoir caractériser le processus et chaque opération qui le compose. De nou-velles questions se posent alors :
CHAPITRE 1. LES REPRÉSENTATIONS INTERMÉDIAIRES DU PRODUIT POUR LA SIMULATION NUMÉRIQUE
FIGURE1.10 – Problématique générale : quel est le meilleur processus de prépration ?
— Comment modéliser un processus de préparation d’un mo-dèle pour la simulation numérique ?
— Comment évaluer a priori un processus de préparation ? Avec quels critères ?
— Comment exploiter les cas existants et les connaissances ac-quises par les experts en préparation de modèles intermé-diaires ?
Problématiques
J
CHAPITRE 1. LES REPRÉSENTATIONS INTERMÉDIAIRES DU PRODUIT POUR LA SIMULATION NUMÉRIQUE Synthèse sur l’intérêt industriel :
L’identification a priori du processus le plus adapté à la préparation d’un modèle pour la simulation permettra de réduire le nombre d’itérations entre les activités de conception et de simulation. La durée du développement du produit sera ainsi diminuée. In fine, cela permettra de mieux optimiser le produit avec plus d’itérations.
La qualification du processus permettra de connaitre a priori son coût et la qualité du ré-sultat de l’analyse.
La prédiction des coûts de préparation du modèle et de la simulation facilitera également l’évaluation de la cotation pour lancer une sous-traitance CAD/CAE.
La prédiction des erreurs sur les résultats de l’analyse assurera une meilleure maitrise de la précision des calculs tout en limitant la surqualité.
A terme, une formalisation des connaissances sur les processus de préparation des mo-dèles pourra être proposée et permettra de capitaliser les connaissances métier.
Chapitre 2
Techniques de simplification de modèles CAO pour la simulation numérique
L’objectif des travaux présentés dans ce manuscrit est d’identifier a priori le meilleur pro-cessus de préparation de modèles intermédiaires pour la simulation numérique. Parmi les trois principales étapes de la préparation d’un modèle, l’étape de simplification est la plus longue, c’est celle qui soulève le plus d’interrogations et qui demande aux ingénieurs de nombreuses prises de décisions. Les méthodes de simplification existantes et les techniques pratiquées dans l’industrie sont synthétisées dans la première section de ce chapitre.
L’état de l’art sur les techniques de simplification est limité aux méthodes utilisables dans le cadre de la préparation de modèles 3D complexes pour le calcul par éléments finis.
Ce chapitre propose tout d’abord des critères de choix des techniques de simplification. Puis, les techniques de simplification des modèles CAO sont présentées selon la classification dé-finie par Thakur et al. [55] . Finalement, les pratiques industrielles de simplification de modèles CAO pour l’analyse numérique par éléments ou volumes finis sont détaillées.
CHAPITRE 2. TECHNIQUES DE SIMPLIFICATION DE MODÈLES CAO POUR LA SIMULATION NUMÉRIQUE
2.1 Sélection et classification des techniques de simplifica-tion
2.1.1 Choix d’une technique de simplification pour l’analyse numérique
Afin de guider l’ingénieur dans le choix d’une technique de simplification, il convient de se poser les questions suivantes :
— Quel(s) niveau(x) de simplification doit-on atteindre ?
— Avec quelle(s) technique(s) de simplification ?
— Avec quel(s) outil(s) ? Quels sont les paramètres de contrôle des opérations ?
— Quelle sera la conséquence de cette simplification sur le résultat de l’analyse ?
Quel(s) niveau(x) de simplification ?
Le premier critère que les ingénieurs doivent prendre en compte avant de lancer une simulation est le niveau de précision attendu sur le résultat de l’analyse. Le niveau de simplification à atteindre (LOS :Level Of Simplification) sera faible lorsqu’une précision élevée est recherchée et au contraire plus élevé si l’on veut privilégier des durées de traite-ment réduites. De manière générale, on cherchera à maximiser le ratio précision/temps.
Un LOS est obtenu par comparaison de la géométrie du modèle original avec celle du mo-dèle simplifié. Les critères utilisés pour le définir sont donnés dans les sections suivantes pour chaque opération de simplification.
Avec quelle(s) technique(s) de simplification ?
Le choix d’une technique de simplification dépend essentiellement du type de modèle original (toutes les techniques ne sont pas adaptées à tous les types de modèles), du type de modèle préparé et de la durée acceptable des opérations de préparation (la durée to-tale de la préparation et de la simulation doit être inférieure à la durée de la simulation faite sur le modèle non simplifié).
Comme cela a été présenté dans la section 1.3.1, la préparation d’un modèle pour la si-mulation est limitée ici à trois étapes principales : simplification, adaptation et maillage.
Cette thèse se limite au choix des opérations et paramètres de simplification.
Avec quel(s) outil(s) ? Quels sont les paramètres de contrôle de l’opération ?
Plusieurs outils existent pour réaliser une opération de simplification. La plupart des ou-tils offrent des options qui permettent de régler le niveau de simplification attendu. Ces paramètres de réglage doivent être identifiés pour chaque type d’opération et chaque ou-til uou-tilisé. Un choix judicieux des paramètres de contrôle minimisera l’erreur due à la sim-plification sur le résultat de l’analyse. Pour chaque technique de simsim-plification, quelques
CHAPITRE 2. TECHNIQUES DE SIMPLIFICATION DE MODÈLES CAO POUR LA SIMULATION NUMÉRIQUE
exemples d’outils utilisés dans l’industrie ainsi que leurs paramètres de contrôle sont donnés dans les sections 2.2 à 2.4.
Quelle sera la conséquence de cette simplification sur le résultat de l’analyse ?
L’impact sur le résultat de l’analyse est mesuré à partir de l’erreur sur les grandeurs phy-siques à calculer. L’impact peut être négligeable (par exemple pour une erreur < à 3%) moyenne ou importante (par exemple pour une erreur >10%). L’impact de la simplifica-tion sur le résultat de l’analyse est étudié dans le chapitre 3.
2.1.2 Principales familles de méthodes de simplification
Thakur et al. [55] proposent une classification des techniques de simplification basée sur les surfaces, les volumes, les détails et la réduction de dimension.
Dans le cadre de cette thèse, le modèle préparé devant être un modèle 3D, les méthodes de réduction de dimensions ne peuvent être envisagées. Nous utiliserons ces méthodes uniquement pour extraire un axe ou un plan médian d’un modèle. Pour chaque catégo-rie de technique de simplification A. Thakur précise son domaine d’application (format d’entrée, types de détails simplifiés, objectif de la simplification), les critères de simplifi-cation, ses avantages et ses inconvénients. Cette classification nous a permis d’identifier les techniques utilisables dans notre domaine d’application.
Les techniques retenues qui sont adaptées à la préparation de modèles complexes pour l’analyse numérique par éléments ou volumes finis seront détaillées dans les sous-sections suivantes. Il s’agit de techniques :
— de suppression de détails (defeaturing) (sous-section 2.2) ;
— de filtrage de pièces ou de sous-ensembles, de substitution, ou de voxelisation (sous-section 2.3) ;
— de décimation, de construction d’enveloppes ou d’agrégation (sous-section 2.4).
Pour chacune de ces techniques, il sera précisé :
— le principe de la méthode utilisée ;
— le critère utilisé pour évaluer le niveau de simplification ;
— les outils existants ainsi que le type de données d’entrées qu’ils traitent, leurs inté-rêts et limites ;
— les paramètres de contrôle qui doivent être réglés par l’opérateur ainsi que les cri-tères de choix de ces réglages.
CHAPITRE 2. TECHNIQUES DE SIMPLIFICATION DE MODÈLES CAO POUR LA SIMULATION NUMÉRIQUE
2.1.3 Pratiques industrielles
Les contraintes industrielles relatives au choix d’un outil de simplification sont essentiel-lement basées sur des critères économiques. Ces critères sont les durées de préparation et de simulation ainsi que le coût d’investissement dans les logiciels et le coût de la for-mation des ingénieurs.
Des logiciels proposent des outils qui mettent en œuvre ces opérations de simplification, il ’agit par exemple de :
— modeleurs 3D (CATIA1, Siemens NX52, SolidWorks3,. . . ) : dans ce cas la simplifi-cation est appliquée sur un modèle géométrique B-Rep ;
— outils dédiés à la simplification de modèles 3D (GPURE4) : la simplification est appliquée sur un modèle B-Rep polyédrique après conversion du modèle géomé-trique B-Rep polynomial ;
— mailleurs (AnsysMeshing5) ou d’outils de traitement de maillages (MeshLab6, ou-tils de la suite OpenFoam7) : la simplification est appliquée sur le modèle facé-tisé ou maillé, la simplification sera réalisée après les opérations d’adaptation et de maillage ;
— outils de simulation (ANSYS8, STARCCM+9, COMSOL10, FloEFD11, Abaqus12) : ces outils intègrent des fonctions qui facilitent l’adaptation du modèle géométrique pour une application spécifique et/ou qui simplifient le maillage avant simulation.
Les critères proposés par ces outils pour régler les paramètres de contrôle des opérations de simplification sont purement géométriques. Actuellement, les ingénieurs choisissent une opération de simplification, les outils pour la réaliser et les paramètres de réglages afin que l’erreur sur le résultat de l’analyse soit minimale en respectant les contraintes industrielles imposées.
Les extraits d’entretiens ci-dessous avec des ingénieurs chargés de la préparation de mo-dèles pour la simulation montrent que les critères de choix des outils et de leurs para-mètres sont subjectifs et qu’ils ne sont pas clairement formalisés :
1. CATIAV5, Dassault Systems, http ://www.3ds.com/fr/produits-et-services/catia/produits/catia-v5 2. NX5, Siemens PLM Software, https ://www.plm.automation.siemens.com
3. SolidWorks, Dassault Systems, http ://www.solidworks.fr 4. GPURE, DeltaCad,http ://gpure.net
5. AnsysMeshing , ANSYS, http ://www.ansys.com 6. MeshLab, http ://meshlab.sourceforge.net
7. OpenFoam Mesh Manipulation, OpenFoam foundation,http ://www.openfoam.org 8. ANSYS, http ://www.ansys.com
9. STARCCM+, CD-Adapco, http ://www.cd-adapco.com 10. COMSOL, http ://www.comsol.com
11. FLOEFD, Mentor Graphic, http ://www.mentor.com/products/mechanical/floefd 12. ABAQUS, Simulia, Dassault Systems, http ://www.3ds.com/products-services/simulia
CHAPITRE 2. TECHNIQUES DE SIMPLIFICATION DE MODÈLES CAO POUR LA SIMULATION NUMÉRIQUE
— « Je supprime toutes les petites pièces »,que veut dire petit ?
— « Je supprime toutes pièces qui font moins de 50 mm »,qu’en est-il si l’ensemble global est de plus petite taille ?
— « Je conserve les pièces qui se trouvent à moins de 50 cm d’une source de chaleur
»,comment a été choisi ce « 50 cm » ?
— « Les composants positionnés en aval des entrées du fluide et en amont des sorties sont conservés »,a t-on vérifié cette hypothèse ?