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19ème Congrès Français de Mécanique Marseille, 24-28 août 2009 1 Méthodologie d

19ème Congrès Français de Mécanique Marseille, 24-28 août 2009 1 Méthodologie de conception d’un produit mécatronique R. PLATEAUX, O. PENAS, J.Y. CHOLEY, F. MHENNI, A. RIVIERE Institut Supérieur de Mécanique de Paris (ISMEP-Supméca) Laboratoire d’Ingénierie des Structures Mécaniques et des Matériaux (LISMMA) Résumé : Aujourd'hui, de nombreuses méthodologies et outils de conception mécatronique existent. Mais leur approche est partielle au sens où ils ne permettent de passer continûment des spécifications au prototype virtuel. Dans cet article, la première partie descendante du cycle en V est intégrée. Pour faire cela, une méthodologie hybride, basée sur différents outils, langages et méthodologies tels que l'analyse fonctionnelle, le SADT, SysML, Modelica et Catia Systems est proposée. Abstract : Nowadays, many studies about mechatronic design process are available. But all of these are local, for they only focus on one single level of the V-cycle and don’t enable a modelling continuity from requirements to the virtual prototyping. In this article, we propose to integrate the entire downward side of the design V- cycle. For this, we present a hybrid methodology based on several tools, languages and methodologies such as SADT, SysML, Modelica and Catia Systems. Mots clefs : Méthodologie de conception intégrée, Modelica, Mécatronique. Introduction Les phases de conception d’un système mécatronique sont nombreuses. Le cycle en V correspondant présente souvent des itérations avant de pouvoir obtenir un prototype physique concluant. En effet, différentes étapes dont la cohérence n’est pas toujours garantie, sont nécessaires : • collecter les exigences et les transcrire sous forme de spécifications sur des paramètres quantifiables, • décomposer le système pour faire apparaître un modèle fonctionnel et structurel, • simuler le système en phase de pré-dimensionnement. Une des raisons de ce problème est la discontinuité de modélisation lors du passage d’une phase de conception à l’autre. Son origine peut être multiple : pertes et/ou modifications de données lors des transferts entre outils, mises à jour non automatiques entre les modèles… Finalement, il y a rupture numérique entre les modèles. Comme bien souvent les systèmes mécatroniques sont des systèmes de grande complexité, de part leur nombre de composants, leur aspect multi-physique et multi-domaine, et les couplages mis en jeu, il apparaît judicieux de définir quels sont les besoins pour concevoir de tels systèmes. Chakrabarti and Bligh [1] proposent les trois exigences suivantes pour définir une approche de conception idéale : • supporter la conception routinière et innovante ; • permettre de réaliser la synthèse ; • élaborer des solutions modulables en niveau de granularité. Pour remplir la première condition, la continuité des différents niveaux de modélisation - fonctionnel, logique et physique - est fondamentale. Cette continuité a non seulement l’avantage de limiter les pertes d’informations, mais de rendre plus facilement cohérents les différentes spécifications, paramètres et modèles entre les divers niveaux. Elle limite les erreurs, les oublis, les redondances et assure que le prototype final respecte le cahier des charges. Par ailleurs, elle facilite la traçabilité par l’automatisation de la répercussion de la mise à jour de modifications d’un niveau de modélisation sur les autres, suivie d’une 19ème Congrès Français de Mécanique Marseille, 24-28 août 2009 2 notification dans la documentation du projet. Ainsi les choix de solutions pourront être automatiquement documentés : le cheminement complet depuis les exigences initiales sera explicite et facile d’accès. Cependant, ces conditions ne sont pas suffisantes pour la mécatronique. En effet, l’aspect pluridisciplinaire des systèmes mécatroniques nécessite un environnement ouvert à l’ensemble des métiers, permettant à la fois de modéliser la mécanique, l’électronique, l’automatisme et de permettre ainsi les collaborations entre les services… De plus, en pré-dimensionnement, pour calculer e.g. les éventuels couplages thermiques intervenant dans ces domaines, chacun peut avoir besoin d’un modèle simplifié de la partie modélisée par les autres. Il est donc important de permettre de modifier la granularité dans les différents modèles, pour permettre cette vision multi-échelle selon les besoins. En effet, en phase de pré-dimensionnement, plus les modèles sont simulables tôt dans le cycle de conception, moins il est nécessaire d’itérer et plus le temps de développement est raccourci. Toujours dans cette perspective, la visualisation 3D (même simplifiée) des éléments, disponible très tôt dans la conception permet de prendre en compte l’encombrement et les éventuelles interactions de proximité ou de contact et facilite donc le pré-dimensionnement géométrique. Enfin, une dernière caractéristique semble nécessaire pour une conception rapide et efficace de systèmes complexes : l’accès à une base de données commune à l’ensemble des concepteurs d’un projet afin de capitaliser les précédentes études et automatiser certaines déclinaisons d’exigences, de fonctions ou d’architectures récurrentes. Ainsi, après avoir défini notre approche de conception idéale, nous allons décrire de quelle manière nous pourrions la mettre en œuvre en se basant sur les méthodologies et langages actuels. Nous proposons également un environnement dans lequel l'implémentation sera possible pour chacune des phases de conception. 1 Notre approche 1.1 Méthodologies, outils et langages existants De nombreux outils et méthodologies existent, provenant de domaines différents [2] [3] [4] [5] [6] [7]. Ils répondent aux problèmes récurrents des concepteurs [8], à savoir, assurer la création rapide d’un produit peu cher, simple et fiable [9] [10] répondant à un cahier des charges, même si ces contraintes sont souvent antagonistes. Ainsi, pour le domaine de l’ingénierie mécanique, l’analyse fonctionnelle, l’APTE, le SADT (Structured Analysis and Design Technique) [11] / IDEF methods (Integrated DEFinition, 0 : for Function Modeling Method, 3 : Process Description Capture Method et 4: Object-Oriented Design Method) [12] et le FAST (Function Analysis System Technique Diagram) [13] sont couramment utilisés. Pour l’électronique, les langages de description matériel (VHDL, Verilog) sont destinés à représenter et simuler le comportement ainsi que l'architecture d’un système électronique numérique. Les outils de synthèse logique (Design compiler, RC, Leonardo…) compilent la description fonctionnelle d'un circuit à l'aide d'un outil de synthèse et d'une bibliothèque de cellules logiques. Les méthodologies de conception avec une approche système commencent à émerger [14] [15]. Pour l’ingénierie informatique, UML (Unified Modeling Language) est le bon outil, qui a été décliné en SysML (System Modelling Language) [16] [17] pour l’approche systémique. Mais ces outils présentent quelques lacunes : le SADT (ou IDEF0), initialement prévu comme un outil de description et d'analyse est privé de toute analyse séquentielle. Notons toutefois qu’IDEF4 peut pallier quelque peu ce défaut. Quant à SysML, il propose un grand nombre de diagrammes, parfois redondants, pour modéliser un système (diagrammes d'exigences, fonctionnels, comportementaux et structurels). Cependant, il ne propose pas de méthodologie. Néanmoins, le diagramme paramétrique permettrait, si cela était implémenté, d'effectuer une simulation physique du système, même si la géométrie n'est toujours pas prise en compte. En effet, il descend jusqu'au niveau du comportement physique du composant et peut ainsi être considéré comme l'interface avec la simulation. On voit donc que le principal inconvénient de SysML et du SADT est de ne pas permettre la simulation de la structure générée : aucune validation significative n'est alors effectuée avant la phase de pré- dimensionnement. De ce fait, pour ces méthodologies et langages, même si certains tests de cohérence sont possibles, la validation du modèle est liée directement au savoir-faire du concepteur, puisque la simulation réaliste du modèle est pour l’instant impossible. Parmi les solutions possibles, deux moyens peuvent être utilisés pour parvenir à un environnement idéal de conception tel que nous l’avons défini précédemment (continuité de modélisation, cohérence, traçabilité, 19ème Congrès Français de Mécanique Marseille, 24-28 août 2009 3 capitalisation, modélisation simulable, vision initiale 3D, multi-niveau, multi-physique et multi-échelle) : soit par l’interfaçage des outils utilisés, soit par l’intégration de ces outils au sein d’un environnement unique. Etant donné la multitude et la variété d’outils utilisés (multi-niveaux, multi-domaines) dans le cadre de la conception de produits mécatroniques, il paraît matériellement difficile de réaliser l’interfaçage de tous ces outils entre eux. Aussi, nous nous sommes naturellement orientés vers la solution d’intégration, en choisissant pour chaque niveau les outils et méthodologies qui nous semblaient les plus pertinentes pour la conception mécatronique : SysML et SADT pour l’analyse fonctionnelle, Modelica [18] pour la simulation multiphysique [19] voire géométrique dans Dymola [20], CATIA V6 pour la maquette numérique intégrée. Des études ont déjà été menées pour intégrer Modelica à SysML [21]. De notre côté, nous avons choisi d’intégrer des modules SysML à Modelica [22], et certaines sont en cours au sein de notre équipe pour intégrer les données géométriques de la maquette numérique au sein de Modelica, pour avoir des simulations dynamiques 3D. 1.2 Notre démarche intégrée Afin de permettre un passage continu des exigences à la description détaillée du système et donc une intégration complète de toutes les phases de modélisation, un environnement unique a été envisagé. L’objectif est d’arriver à un prototype virtuel, simulable et rendant compte du comportement du système. Pour cela, depuis deux ans, nous avons choisi d’exploiter le langage Modelica sous Dymola. Le première étape consiste à répondre à l’adéquation de cet environnement à répondre à toutes les caractéristiques de l’environnement idéal de conception que nous avons défini précédemment. Tout d’abord, il répond en grande partie à la définition de l'environnement pour une analyse fonctionnelle idéale défini uploads/Ingenierie_Lourd/ methodologie-de-conception-d-x27-un-produit-mecatronique 1 .pdf