Introduction et analyse des schémas de cotation en avance de phase, Introduction and analysis of the tolerancing schemes, during the first design stages.

Michel Socoliuc

Description

Sous la direction de Alain Riviere
Thèse soutenue le 09 juillet 2010: Ecole centrale Paris
Il y a peu, j’ai pu lire « qu’on pouvait considérer que les ponts romains de l’Antiquité, pouvaient être considérés comme inefficaces, au regard des standards actuels : ils utilisaient trop de pierre et énormément de travail était nécessaire à leur construction. Au fil des années, pour répondre à une problématique équivalente, nous avons appris à utiliser moins de matériaux et à réduire la charge de travail ». Ces problématiques nous les retrouvons aussi en conception mécanique où l’on essaye en continu de proposer des systèmes de plus en plus performants mais devant être conçus en moins de temps, étant moins cher à produire et fournissant des prestations au moins équivalentes à ce qui a déjà été conçu.Au cours d'un processus de conception classique, les concepteurs définissent une géométrie ne présentant aucun défaut puis, étant donné que les moyens de production ne permettent pas d’obtenir de telles pièces finales, ils spécifient les schémas de cotation définissant les écarts acceptables garantissant le bon fonctionnement du système. Seulement, cela est fait après avoir produit les dessins détaillés, c'est à dire trop tard. Pour répondre à cette problématique, je présenterai l’intégration, très tôt dans le cycle de vie de conception, d’un processus de validation optimisé, basé sur une maquette numérique directement en lien avec sa représentation fonctionnelle (maquette fonctionnelle), et permettant de valider des schémas de cotation 3D standardisés.Je décrirai d'abord ce que l’on entend par « maquette fonctionnelle » et surtout ce que cette nouvelle définition apporte en plus de la définition numérique. Une fois ce point abordé, je détaillerai les liens qui permettent d’avoir une unicité de l’information au sein de l’environnement de travail, tout comme les processus qui permettent de lier les représentations fonctionnelles et numériques.Ensuite, je détaillerai les processus basés sur ces concepts, et qui ont pour but de valider les choix qui sont effectués en avance de phase au niveau des schémas de cotation. Pour ce faire, je commencerai par présenter l’analyse au pire des cas (utilisant les modèles de domaines écarts notamment), permettant de garantir le bon fonctionnement de l’ensemble mécanique, dans le cas ou touts les écarts se retrouvent à l’intérieur des zones respectives (définies par les tolérances).Enfin, je finirai par introduire ce qu’une couche statistique, couplée à l’analyse au pire des cas utilisant les enveloppes convexes, peut amener dans le contexte industriel et notamment sous la contrainte temporelle.
-Maquette Numérique
-Optimisation du processus de conception
-Tolérancement
-Convex hull
-Définition par interfaces mécaniques
Some time ago, I read "According to our current standards, we could consider Roman bridges of ancient times as ineffective: they used too much stone and hard work during construction. Over the years, in order to respond to similar problems, we learned how to use fewer materials and reduce the workload. These issues can also be found in the mechanical design field, where we continuously try to offer more efficient systems, but which have to be designed in less time, be cheaper to produce and provide benefits at least equivalent to what has already been designed.During a conventional design process, designers define the ideal geometries and - given that the machining tools cannot produce mechanical parts without any geometrical defects - specify the associated tolerancing schemes. These tolerancing schemes define acceptable geometrical deviations, thus providing a well-functioning system. Unfortunately this is done after having designed detailed parts and thus, too late.In order to address this problem, I will begin by introducing the integration, in the first design stages, of a new optimized validation process based on a Digital Mock-Up, directly linked to its functional representation (Functional Mock-Up), in order to validate 3D standardized tolerancing schemes. I'll first describe what is meant by "Functional Mock-Up" (FMU) and specify which information is added to the Digital Mock-Up (DMU). Once that is done, I will detail the relationship that leads to the uniqueness of the information and the processes linking the Functional and Digital representations.Then, I'll detail the processes based on these concepts, which aim to validate the tolerancing schemes, during the early design stages. To do this, I'll begin by introducing the worst case analysis (using the deviation domain model), which ensures the proper functioning of the mechanical system. Finally, I will end this by introducing the benefits that can be brought, by coupling a statistical layer to the worst case analysis (using the convex hull).
-Digital Mock-Up
-Design life-cycle optimization
-Tolerancing
-Gap and deviation spaces
-Functional skeleton
Source: http://www.theses.fr/2010ECAP0022/document

Sujets

• Maquette numérique

Informations

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• Poids de l'ouvrage: 10 Mo

Extrait

ÉCOLE CENTRALE DES ARTS
ET MANUFACTURES
“ ÉCOLE CENTRALE PARIS ”


THÈSE
Présentée par Monsieur SOCOLIUC Michel


pour l’obtention du

GRADE DE DOCTEUR

Spécialité : Génie Industriel

Laboratoire d’accueil : LISMMA - SUPMECA

SUJET : INTRODUCTION ET ANALYSE DES SCHEMAS DE COTATION EN
AVANCE DE PHASE


soutenue le : 9 Juillet 2010

devant un jury composé de :


Président
Alain RIVIERE
Rapporteurs
Max GIORDANO
Luc MATHIEU
Examinateurs
Didier BUYSSE
Hugo FALGARONE
Dominique GAUNET
Pierre Alain YVARS


2010ECAP0022

tel-00534810, version 1 - 10 Nov 2010TABLE DES MATIÈRES
TABLE DES MATIÈRES ..................................................................................................... 2
Index des Illustrations ........... 5
Index des Tableaux ............................................................................................................... 9
Préface .................................10
Remerciements .....................11
Résumé ................................................................................................12
Lexique - Acronymes ............13
Contexte de Recherche .........14
Introduction 15
Un peu d’histoire .........................................................................................................................16
Vers un langage commun de représentation ............................. 16
Le début d’une ère “ standardisée ”.......................................... 18
Qualité & Fabrication, vecteurs de création et modification des normes ..................... 19
Positionnement des travaux de recherche au sein du milieu industriel .......21
L’intégration et l’évolution des travaux de recherche dans un processus “ global ” ..................................... 21
Méthodes, contraintes, outils… et environnement de travail ......................................................23
La définition Fonctionnelle et Numérique ................................ 23
La Capitalisation, les Standards et les Normes .......................... 24
Le dialogue entre la théorie et la pratique ................................. 26
Enjeux et innovation ............................................................................................... 27
Etat de l’art Le tolérancement en avance de phase ..............................32
Notions et méthodes de base utilisées ..........................................................33
Utilité du tolérancement ................................................................ 33
1. Langage normalisé de spécification............................ 34
2. Spécification qualitative ............................................................................ 36
3. L’analyse et la synthèse quantitative de schémas de cotation ....................... 36
4. Impact sur le coût ..................................................... 37
Design for Assembly .............................................................................................. 39
1. Assemblabilité et Validation des CF .......................... 39
2. Interfaces Mécaniques ............................................................................... 40
SATT & EGRM ..................................... 42
1. Un modèle de représentation simplifié d’un système ... 42
2. Le squelette géométrique ........................................... 43
Approche fonctionnelle ........................................................................................................................... 43
1. Des processus standardisés ........................................ 44
2. Une modélisation globale complexe, mais pas forcement localement compliquée ......................... 45
3. Une représentation fonctionnelle par graphes.............................................. 46
4. Intégration d’éléments fonctionnels dans la représentation numérique.......... 49
Le Tolérancement, un vecteur de qualité ....................................................................................50
Un besoin industriel concret ................................ 51
Des modèles mathématiques existants à adapter au besoin ........................................................................ 52
_____________
- 2 -
tel-00534810, version 1 - 10 Nov 20101. Hypothèses ...............................................................................................................................52
2. Le torseur des petits déplacements ..............................52
3. Torseur écart et surfaces de substitution ......................54
4. Domaines écart .........................55
5. Domaines jeux ..........................................................................................................................59
6. Opérations sur les domaines convexes : Sommes de Minkowski et Intersections ...........................59
L’avance de phase en conception mécanique ............. 62
Constats .................................................................................................................................................62
Premières propositions ............................63
Évolution de la réflexion autour du processus de conception......63
1. La MN au centre du processus de conception ..............63
2. Les informations nécessaires à la simulation du tolérancement en avance de phase .......................64
3. Création et extraction des informations nécessaires à la simulation ...............................................65
4. La Maquette Fonctionnelle, base de la définition géométrique .....................66
Conclusions ............................................................................................................67
1. Méthodologies et outils mathématiques ......................67
2. Pilotage de la MN et intégration de la notion de défaut géométrique .............................................68
La Maquette Fonctionnelle .................................................................. 69
Penser fonctionnel ...................................................... 70
"Au commencement" il y a la voix du client .............................70
1. Une problématique connue ........................................................................70
2. Expression et analyse du besoin .71
3. Création du Cahier des Charges Fonctionnel ...............................................72
Intégration du contexte de travail de l’industriel ........................................................74
1. Définition et/ou découpage en Macro-Fonctions .........74
2. Définition des Groupes Fonctionnels ..........................................................75
La recherche des solutions .......................................................76
1. Décomposition des Fonctions De Haut Niveau............................................................................76
2. Décomposition du Système ........................................77
3. Capitalisation des informations relatives aux solutions techniques ................78
Problème de structure lié au processus de déploiement des prestations .................................... 80
Constats .................................................................................................................80
Solutions informatisées existantes ............82
1. GAIA (cf. chapitre 2).................82
2. TDC Need & TDC Structure ......................................................................................................82
3. CATIA V6 (Dassault Systèmes) : découpage RFLP ....83
Bilan ......................................................................................................................................................84
Une proposition de processus modifié ........................ 85
Aperçu global .........................................................................................................................................86
Le découpage fonctionnel proposé ...........88
Détail de chaque étape composant le processus .........................................................................................89
1. R (Requirements) : Recenser et structurer les Prestations .............................89
2. T (Technological) : Traduction des Prestations en “ paramètres de conception ”............................90
3. F (Functional) : Définition des fonctions produit .........................................................................93
4. A (Architecture) : Définition de l’architecture détaillée du produit ...............94
Définition du modèle de représentation par graphes (squelette fonctionnel) ................97
1. Déclaration des Entités Modélisées.................