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Cours enseigné par le Dr. BOUCHAREB ILhem Ecole Polytechnique de Constantine (E

Cours enseigné par le Dr. BOUCHAREB ILhem Ecole Polytechnique de Constantine (ENPC) 2016-2017 CAO systèmes électro-énergétiques Contenu: 1. CAO dans l’industrie électrique 2. Conception dans le processus industriel 2.1. Etapes 2.2. Méthodes et outils 3. CAO : solutions et objectifs ? 4. CAO : mise en œuvre (matériel et logiciel) 5. CAO : aspects économiques, ergonomiques, humains 6. Choix d’un système de CAO 1. CAO dans l’industrie électrique 1.1. Historique La CAO est née aux États-Unis à la fin des années 50, quand General Motors et le Massachusetts Institute of Technology ont imaginé de dialoguer avec un ordinateur autrement qu’avec des cartes perforées, des bandes magnétiques ou des rubans de papier perforé. Ces efforts ont permis, avec d’autres travaux effectués par General Motors et IBM, la naissance de l’informatique interactive (c’est-à-dire le dialogue direct entre l’utilisateur et l’ordinateur) et du premier écran graphique, base fondamentale de tout équipement de CAO. Les premières idées d’utilisation de ce nouvel outil ont été de s’en servir pour la définition et le contrôle de pièces de carrosserie ; il est possible de situer les débuts de cette application vers les années 65 avec, malgré tout, un caractère très exceptionnel. Vers 1970, le processus s’est accéléré avec une première conjonction des trois facteurs précédents (puissance des ordinateurs, progrès des logiciels et des prix) permettant des investissements industriels plus importants, dont beaucoup étaient destinés à la définition des formes de carrosserie et de tôlerie. Les autres investissements concernaient la réalisation de plans classiques avec l’assistance de l’ordinateur ou la réalisation de schémas électroniques. C’est aussi vers cette époque qu’un certain nombre de travaux portant sur les techniques de représentation et de manipulation de formes complexes, dans lesquelles l’objet est constitué de surfaces, ont abouti. Les services de production, et particulièrement les services d’outillage, ont commencé à s’intéresser à ces techniques (principalement ceux qui étaient concernés alors par la commande numérique). C’est ainsi que sont nés les systèmes de CFAO – Conception et Fabrication Assistées par Ordinateur – qui sont maintenant très largement répandus. Enfin, au début des années 80, les bureaux d’études mécaniques ont commencé à s’équiper de moyens CAO, là encore grâce à une avancée notable des logiciels, du matériel et des prix : en effet, il a été possible d’utiliser de nouveaux objets mathématiques, les solides, permettant l’accès aux propriétés de masse des pièces modélisées (centre de gravité, moments d’inertie, etc.) qui intéressent fortement le mécanicien. 1.2. Origine de la CAO L’introduction de l’informatique et son utilisation dans un processus de conception remontent maintenant à un quart de siècle. Nous assistons actuellement à une véritable explosion dans ce domaine et la totalité des bureaux d’études est maintenant concernée par l’informatique de conception. Cette explosion est due à plusieurs facteurs dont les trois principaux nous paraissent être :  les progrès considérables de la puissance disponible des ordinateurs : en 10 ans, la puissance a été environ multipliée par 10 ;  le nombre et la qualité des logiciels, aussi bien ceux à caractères généraux disponibles sur le marché que ceux dits de métier développés par les utilisateurs eux-mêmes ;  la chute importante et continue des prix du matériel, c’est-à-dire ordinateurs, consoles, imprimantes, traceurs, etc.  Ces différents progrès rendent possible l’utilisation de l’informatique scientifique dans les bureaux d’études. Dans ce domaine, les activités couvertes actuellement par la mécanique sont variées :  Dessin Assistée par Ordinateur (DAO) ;  Conception Assisté par Ordinateur (CAO) ;  calcul et optimisation des structures : élasticité, vibrations, thermique, etc. ;  calcul d’écoulement des fluides ;  calcul de procédés tels que le remplissage de moules, « la mise au mille » pour la forge, la solidification pour la coulée, etc. ;  nomenclature et gestion technique. Certaines de ces activités sont couvertes par le terme générique de CAO. Nous montrerons dans cet article les différentes utilisations possibles de la CAO pour la conception de moteurs. 1.3. Définitions 1.3.1. Dessin Assisté par Ordinateur Il s’agit de réaliser une définition en deux dimensions (2D) dans laquelle on réalise un dessin traditionnel : les vues se rappellent entre elles uniquement parce que le dessinateur l’a prévu et les a construites de cette façon. Bien entendu, certaines opérations peuvent être automatisées et certaines constructions peuvent être obtenues à la suite de calculs réalisés par l’ordinateur. Cela implique qu’en DAO il est impossible de construire automatiquement une coupe, de calculer un volume ou de tracer une perspective de l’objet en cours d’étude. Cependant, les possibilités du poste de travail, l’aide d’algorithmes de plus en plus puissants et le recours à l’utilisation de programmes experts permettent de faire mieux et plus vite qu’à la planche à dessin classique, principalement dans le cas de dessins de détail ou de modifications de plans déjà réalisés en DAO. En résumé, rien ne permet de distinguer le plan d’une pièce définie de façon classique à la planche et le plan de la même pièce définie en DAO. 1.3.2. Conception Assistée par Ordinateur Un des produits « naturels » de la CAO est une définition numérique en trois dimensions (3D), le plan ou le dessin classique n’étant qu’un « sous-produit » de la définition. Les opérations de coupes, de perspectives ainsi que le calcul des volumes, des masses et des inerties sont possibles quelles que soient les formes de l’objet. De même, il est possible de calculer des images de « rendu réaliste » qui permettent d’apprécier les formes de la pièce. La CAO implique des algorithmes plus puissants, du matériel plus élaboré que celui demandé par le DAO. En conséquence, les coûts sont très différents : rapport des coûts d’environ 1 à 5. Il est cependant important de préciser que, dans tout système de CAO, on rencontre un système de DAO plus ou moins performant. Les systèmes de CAO actuels : CATIA (Dassault Systems), EUCLID (Matra Datavision), CADDS4X (Prime/Computer Vision), IDEAS (SDRC), CADAM (CADAM), etc., traitent essentiellement des problèmes de géométrie. La validation théorique, la prédétermination du comportement d’une pièce ou d’un ensemble de pièces s’effectuent à l’aide de programmes de calculs scientifiques externes à ces systèmes ; ce phénomène est essentiellement dû à la difficulté d’intégrer ces programmes, compte tenu de l’extrême variété des domaines physiques rencontrés : statique linéaire, acoustique, vibrations, thermiques, mécaniques des fluides, thermochimie, etc. 1.4. Techniques de représentation en CAO En dessin classique, qu’il soit réalisé à la planche à dessin ou bien en DAO, une pièce est représentée à l’aide des vues classiques : de face, de dessus, de dessous, de gauche, de droite, et de coupes et sections appropriées permettant la bonne compréhension du dessin. Bien souvent, il n’est pas nécessaire de réaliser toutes les vues, mais certaines coupes ou sections s’avèrent indispensables. Notons qu’en dessin mécanique classique, il est très rare de faire appel à une perspective. Au contraire, l’approche de la CAO est de tenter de représenter la pièce, ou l’ensemble de pièces en question, dans l’espace et en 3D. Cette représentation peut s’effectuer à l’aide de trois techniques :  modélisation fil de fer ;  modélisation surfacique ;  modélisation solide. Ces différents modes de représentation ou modélisations d’un objet permettent de le définir plus ou moins complètement, avec certaines imperfections, et présentent un certain nombre d’avantages et d’inconvénients. Figure 1 – Différents modes de représentation d’un cube 1.4.1. Modélisation fil de fer Historiquement, c’est la première modélisation d’un objet en 3D qui est apparue. La géométrie est définie uniquement à l’aide d’entités géométriques en 2D : droites, cercles, arcs de cercle, courbes, etc. Par exemple, avec la modélisation fil de fer (Wire Frame), un cube est défini uniquement par ses arêtes (figure 1). La pièce n’est donc qu’imparfaitement définie puisqu’il manque la définition exacte des faces et de l’intérieur du cube. À l’aide de cet exemple, il est possible de mettre en évidence deux points :  un point fort : une base de données géométriques peu encombrée, ce qui permet des calculs rapides et relativement peu complexes ;  un point faible : une visualisation malaisée rendant la compréhension de l’étude délicate ; si l’on reprend l’exemple du cube, il est difficile, avec une telle modélisation, de savoir quelle est l’arête qui est devant le modèle et celle qui est derrière celui-ci. La technique du fil de fer est donc utilisée soit par les logiciels de DAO (pour lesquels le 2D convient parfaitement), soit par les logiciels de CAO tridimensionnels pour réaliser les lignes de construction et les contours d’un modèle 3D complexe. 1.4.2. Modélisation surfacique C’est historiquement la deuxième technique apparue sur le marché mais c’est en fait la première qui a permis une approche 3D plus profonde que la représentation fil de fer. En effet, avec la modélisation surfacique, la pièce est décrite à l’aide des surfaces qui en constituent l’enveloppe : un cube est ainsi décrit par ses 6 faces (figure 1). La pièce est ainsi bien décrite, les coupes que l’on peut être amené à faire sont des coupes exactes. Les avantages de l’utilisation des surfaces sont : uploads/Ingenierie_Lourd/ cours-cao-chapitre-1.pdf