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____________________________________________________________________________________________________________________ L’ENSAM est un Grand Etablissement dépendant du Ministère de l’Education Nationale, composé de huit centres : AIX-EN-PROVENCE ANGERS BORDEAUX CHÂLONS-EN-CHAMPAGNE CLUNY LILLE METZ PARIS N° d’ordre : 2004-32 ECOLE DOCTORALE de l’ENSAM (ED-432) Ecole Nationale Supérieure d’Arts et Métiers Centre de Bordeaux THÈSE présentée pour obtenir le titre de DOCTEUR de L’ÉCOLE NATIONALE SUPÉRIEURE D’ARTS ET MÉTIERS Ecole Doctorale : Mécanique des Métiers de l'Ingénieur Spécialité : Mécanique par Dominique SCARAVETTI __________________ FORMALISATION PRÉALABLE D'UN PROBLÈME DE CONCEPTION, POUR L'AIDE A LA DÉCISION EN CONCEPTION PRÉLIMINAIRE __________________ Soutenue le 3 décembre 2004 devant le jury composé de MM. A. AOUSSAT Professeur à l’ENSAM, Paris Président du jury J.C. BOCQUET Professeur à l’Ecole Centrale, Paris Rapporteur D. BRISSAUD Professeur à l’ENSHMG, Grenoble Rapporteur J.P. NADEAU Professeur à l’ENSAM, Bordeaux Directeur de thèse P. SEBASTIAN Maître de conférences HDR, à l'Université Bordeaux 1 Co-directeur de thèse J. PAILHES Maître de conférences à l’ENSAM, Bordeaux Examinateur I Table des matières Chapitre 1 Introduction ________________________________________________ 5 1.1 Terminologie _________________________________________________________ 6 1.2 Le risque en conception ________________________________________________ 7 1.3 Problématique _______________________________________________________ 10 1.4 Organisation du document_____________________________________________ 11 Chapitre 2 Organisation de la conception ________________________________ 13 2.1 Démarches et modèles de conception ____________________________________ 13 2.1.1 Différents types de conception________________________________________________14 2.1.2 Processus de conception ____________________________________________________16 2.1.2.1 Processus académiques_________________________________________________20 2.1.2.2 Processus industriels et normatifs ________________________________________23 2.1.2.3 Comparaison des processus de conception__________________________________26 2.2 Données et objets intermédiaires________________________________________ 29 2.2.1 Types de connaissances à chaque étape_________________________________________30 2.2.2 Évolution de l'abstraction vers la complétude ____________________________________31 2.2.3 Jalons normalisés__________________________________________________________35 2.3 Pratique des processus ________________________________________________ 39 2.3.1 Organisations _____________________________________________________________39 2.3.2 Choix, décisions___________________________________________________________40 2.3.3 Itérations ________________________________________________________________42 2.4 Difficultés en conception préliminaire ___________________________________ 43 2.4.1 Décisions et faibles connaissances_____________________________________________43 2.4.2 Prise en compte simultanée de données hétérogènes_______________________________45 2.5 Synthèse ____________________________________________________________ 46 Chapitre 3 Vers un système d'aide à la décision____________________________ 49 3.1 La Conception Inversée Intégrée________________________________________ 51 3.2 Contraintes en conception préliminaire __________________________________ 52 3.2.1 Pertinence des PSC en conception préliminaire___________________________________52 3.2.2 Utilisation des PSC en conception architecturale _________________________________54 3.3 Démarche proposée et outil ____________________________________________ 56 3.3.1 Positionnement et complémentarité par rapport aux processus existants _______________56 3.3.2 Structuration de notre démarche globale ________________________________________60 3.3.3 Base de connaissances ______________________________________________________64 3.3.4 Le solveur "Constraint Explorer"______________________________________________65 3.4 Définition d'un problème de conception sous forme de PSC _________________ 66 II 3.5 Synthèse des besoins recensés pour le système d'aide à la décision ____________ 67 Chapitre 4 Qualification de la conception ________________________________ 69 4.1 Qualification de la conception pour le concepteur__________________________ 70 4.1.1 Vision globale du produit conçu ______________________________________________71 4.1.1.1 Critères globaux de conception __________________________________________71 4.1.1.2 Maîtrise des coûts et de la valeur _________________________________________71 4.1.1.3 Développement durable et éco-conception__________________________________74 4.1.2 Qualification de la réalisation des fonctions _____________________________________76 4.1.2.1 Résultat final : satisfaction des critères d'appréciation du CdCF _________________76 4.1.2.2 Qualification des choix de solution _______________________________________76 4.1.3 Sûreté de fonctionnement ___________________________________________________77 4.1.3.1 Contexte ____________________________________________________________77 4.1.3.2 Sûreté de fonctionnement locale _________________________________________77 4.1.3.3 Sûreté de fonctionnement globale ________________________________________77 4.1.4 Synthèse_________________________________________________________________79 4.2 Données pour l'aide à la décision________________________________________ 81 4.2.1 Indicateurs de pertinence ____________________________________________________81 4.2.2 Indicateurs de performance __________________________________________________82 4.2.3 Fonction objectif __________________________________________________________83 4.2.4 Front de Pareto____________________________________________________________83 4.2.5 Choix ___________________________________________________________________85 Chapitre 5 Analyse et structuration du problème de conception _______________ 87 5.1 Approche du problème de conception____________________________________ 87 5.1.1 Comparaison de l'approche axiomatique et d'autres approches _______________________87 5.1.1.1 Approche axiomatique et approche algorithmique____________________________88 5.1.1.2 TRIZ et les règles de Polovinkin _________________________________________90 5.1.1.3 Complémentarités et divergences des approches TRIZ et AD___________________91 5.1.1.4 Synthèse ____________________________________________________________92 5.1.2 Outils existants____________________________________________________________94 5.1.2.1 Décomposition du produit ______________________________________________94 5.1.2.2 Analyse fonctionnelle__________________________________________________95 5.1.2.3 Evolution du BDF ____________________________________________________99 5.2 Caractéristiques structurantes du problème de conception _________________ 102 5.3 Démarche d'analyse et structuration en quatre étapes _____________________ 103 5.4 Etape 1 : analyse du besoin ___________________________________________ 104 5.4.1 Expression fonctionnelle du besoin ___________________________________________104 5.4.2 Critères de qualification client_______________________________________________104 5.4.2.1 Critères technologiques _______________________________________________104 5.4.2.2 Critères économiques _________________________________________________105 5.4.2.3 Critères de qualification société, marketing ________________________________106 5.4.3 Caractérisation ___________________________________________________________107 5.4.4 Cycle de vie du produit ____________________________________________________109 5.4.5 Indicateurs de pertinence ___________________________________________________110 5.5 Etape 2 : Approche fonctionnelle externe________________________________ 110 5.5.1 Fonctions structurantes ____________________________________________________111 5.5.2 Récapitulatif_____________________________________________________________113 5.5.3 Indicateurs de pertinence ___________________________________________________115 III 5.6 Etape 3 : Approche organique_________________________________________ 115 5.6.1 Eléments standards _______________________________________________________116 5.6.2 Eléments non définis ______________________________________________________116 5.6.3 Contraintes d'interfaces ____________________________________________________116 5.6.4 Récapitulatif_____________________________________________________________117 5.6.5 Indicateurs de pertinence ___________________________________________________118 5.7 Etape 4 : Approche physique__________________________________________ 119 5.7.1 Identification des comportements physiques structurants __________________________119 5.7.2 Récapitulatif_____________________________________________________________121 5.7.3 Ecriture des modèles ______________________________________________________122 5.7.4 Pertinence de la conception _________________________________________________123 5.8 Synthèse ___________________________________________________________ 124 5.9 Vérification de l'exhaustivité __________________________________________ 126 Chapitre 6 Application et résolution ____________________________________ 131 6.1 Confrontation de notre approche à la démarche classique__________________ 131 6.2 Analyse du besoin du client et cahier des charges _________________________ 132 6.3 Démarche de conception classique _____________________________________ 134 6.3.1 Recherche de concepts_____________________________________________________134 6.3.2 Difficultés identifiées______________________________________________________136 6.4 Utilisation du système d'aide à la décision _______________________________ 138 6.4.1 Analyse et structuration du problème de conception ______________________________139 6.4.1.1 Etape 1 : Analyse du besoin ____________________________________________139 6.4.1.2 Etape 2 : Approche fonctionnelle________________________________________140 6.4.1.3 Etape 3 : Approche organique __________________________________________141 6.4.1.4 Etape 4 : Approche physique ___________________________________________143 6.4.1.5 Paramètres structurants________________________________________________144 6.4.2 Comparaison entre les concepts de solution ____________________________________145 6.4.3 Formalisation des contraintes _______________________________________________148 6.4.4 Résolution et exploitation des résultats ________________________________________150 6.4.4.1 Résolution du PSC ___________________________________________________150 6.4.4.2 Fonction objectif ____________________________________________________151 6.4.4.3 Front de Pareto ______________________________________________________152 6.4.4.4 Analyse des résultats _________________________________________________153 6.4.4.5 Conception détaillée__________________________________________________155 6.4.5 Synthèse de la comparaison des démarches_____________________________________157 Conclusion ___________________________________________________________ 159 Bibliographie _________________________________________________________ 165 Annexes _____________________________________________________________ 175 IV V Tables des illustrations Figure 1: Evolution des coûts engagés sur le projet et des coûts de développement [Zim 01].........................................................9 Figure 2: Mise en parallèle des processus de conception......................................................................................................................19 Figure 3: Décomposition hiérarchique d'un problème de conception; 'zig-zag' entre les domaines [Yan 00a]............................22 Figure 4: Processus de conception selon le point de vue 'Axiomatic Design' [Suh 90]. .................................................................22 Figure 5: Flux d'énergie dans un système réel [Fow 98]........................................................................................................................23 Figure 6: Processus de conception selon les directives VDI 2221 [VDI 87]. ....................................................................................24 Figure 7: Phases du processus de conception [Cav 95].........................................................................................................................25 Figure 8: Détail de la phase de conception préliminaire [Cav 95]........................................................................................................25 Figure 9: Processus de conception et jalons en aéronautique. .............................................................................................................26 Figure 10: Boucles de retour dans le processus de conception............................................................................................................27 Figure 11: Identification des jalons communs aux processus de conception. ...................................................................................28 Figure 12: Processus de conception et espaces de représentation ; modélisation matricielle [Vad 96]..........................................30 Figure 13: Evolution du niveau d'imprécision durant le processus de conception, d'après [Gia 97].............................................31 Figure 14: Modèles et données dans le processus de conception, du besoin à la conception détaillée. ........................................34 Figure 15: Etats et processus du cycle de vie d'un produit [Cav 95]..................................................................................................35 Figure 16: Etats documentaires du déroulement d'un programme; adapté des normes RG Aéro.................................................38 Figure 17: Structures organisationnelles [Mid 93]..................................................................................................................................39 Figure 18: Elargissement de l'espace des solutions de conception......................................................................................................41 Figure 19: Divergence et convergence dans le processus de conception, d'après les directives VDI............................................44 Figure 20: Choix réalisés durant la conception préliminaire, durant une démarche classique.........................................................47 Figure 21: Positionnement de la démarche de recherche des caractéristiques structurantes et des outils intégrés dans le système d'aide à la décision............................................................................................................................................................50 Figure 22: Proposition de positionnement des choix à réaliser par le concepteur durant la conception préliminaire, avec l'utilisation du système d'aide à la décision..................................................................................................................................51 Figure 23: Conception inversée intégrée [Fis 00]...................................................................................................................................52 Figure 24: Evolution du niveau d'imprécision durant le processus de conception...........................................................................53 Figure 25: Processus de spécification et de satisfaction de contraintes [Tho 96b]............................................................................55 Figure 26 : Comparaison, dans le temps, des états d'avancement des processus de conception....................................................57 Figure 27: Evolution du processus de conception par l'introduction de la CII.................................................................................58 Figure 28: Conception préliminaire "enrichie" par la CII.....................................................................................................................58 Figure 29: Positionnement de la conception architecturale utilisant le système d'aide à la décision..............................................60 Figure 30: Structuration de la CII et outils intervenant dans le processus. ........................................................................................61 Figure 31 : Processus global d'aide à la décision.....................................................................................................................................62 Figure 32: Structuration détaillée de la phase d'analyse et structuration du problème de conception. ..........................................63 Figure 33: Aperçu de l'interface du logiciel Constraint Explorer.........................................................................................................66 Figure 34: Diagramme des coûts d'un développement. ........................................................................................................................72 Figure 35: Loi d'intégralité des parties......................................................................................................................................................76 Figure 36: Indicateurs de pertinence identifiés durant la démarche d'analyse et structuration du problème de conception......82 Figure 37: Exemple d'espace des solutions.............................................................................................................................................84 Figure 38: Structure fonctionnelle d'après Pahl et Beitz [Oos 01].......................................................................................................88 Figure 39: Nature hiérarchique des domaines [MAN 99].....................................................................................................................89 Figure 40: Stratégies de décomposition comparées. ..............................................................................................................................90 Figure 41: Modèle du processus de conception "arbre des tâches" [Var 95].....................................................................................94 Figure 42: Organigramme technique........................................................................................................................................................95 Figure 43: Fonctions de service et contraintes de l'aspirateur ménager.............................................................................................97 Figure 44: Extrait du diagramme FAST de l'aspirateur.........................................................................................................................98 Figure 45: Exemple de Bloc Diagramme Fonctionnel..........................................................................................................................98 Figure 46: Extrait du BDF de premier niveau de l'aspirateur...............................................................................................................99 Figure 47: Du BDF au GSC, pour l'exemple de l'aspirateur. ............................................................................................................ 100 Figure 48: Démarche de recherche, outils associés et caractéristiques structurantes identifiés à chaque étape......................... 103 Figure 49: Cycle de vie du produit et situations de vie correspondantes......................................................................................... 110 Figure 50 : Organigramme Technique étendu..................................................................................................................................... 115 Figure 51: Graphe des associations Substances-Champs de l'aspirateur. ........................................................................................ 121 Figure 52: Structuration détaillée de la démarche de conception préliminaire enrichie. ............................................................... 125 Figure 53: Horloge monumentale.......................................................................................................................................................... 132 Figure 54: Analyse fonctionnelle externe: analyse systématique des milieux extérieurs................................................................ 133 VI Figure 55: Schéma de l'architecture globale uploads/Philosophie/ formalisation-prealable-dun-probleme-de.pdf