01_chap1_introduction à la cao_version 04.10.2013

Ministre de lEnseignement Suprieur,de la recherche scientifique et de la

technologieUniversit Tunis El Manar

Dpartement Gnie Mcanique

Support De Cours

CONCEPTION ASSISTE PAR ORDINATEUR

Pour Les lves De

2me anne Gnie Industriel

Elabor par :

Riadh [email protected]

Anne universitaire: 2013/2014

Conception Assiste par Ordinateur ENIT

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Le pari des entreprises est que la CAO permettra une hausse semblable

de la productivit des ingnieurs.

Le terme conception assiste par ordinateur signifie toutes les techniques qui permettent laconception dun produit en utilisant linformatique que ce soit dans le domaine de la mcanique,que dans le domaine de llectricit, du civil, ou le domaine de larchitecture, etc

Concevoir un objet tel quil soit, avec un systme CAO ncessite des outils informatiquesplus ou moins complexes, selon les cas, pour donner lutilisateur final les moyens de dialogueravec le systme CAO. Cet utilisateur final sera appel dans toute la suite oprateur dialogueravec le systme cela peut vouloir dire : crer des lments ; modifier des lments ; comprendre les tats de la conception en cours ; faire excuter les oprations de simulation ; avoir un retour (feedback) du systme, pour comprendre leffet de telle gomtrie ou telle

action.

Ce cours soriente principalement aux techniques de la conception assiste par ordinateur quirecouvrent le domaine de la mcanique.

Dans ce cours, on suppose que toutes les notions de base relatives au dessin industriel enmcanique sont acquises ; savoir, les notions de formats, de types de traits, de sections, de coupes,de reprsentations des vues en deux dimensions ou dobjets en trois dimensions, de cotations, delecture des mcanismes (en coupe ou non) mme les plus complexes et enfin dlmentsmcaniques (ressorts, roulements, engrenages, vis et crous, goupilles, chanes, rivets, etc.).

Le cours Conception Assiste par Ordinateur sera prsent selon le plan suivant :

Terminologie de la CAO, types de logiciels en CAO ;

Introduction CATIA : personnalisation, barres doutils, menus, navigateur ;

Construction gomtrique de base : atelier desquisse, outils de construction, contraintes ;

Modlisation solide : extrusions, rvolution, perage, congs et arrondis, ;

Assemblage : intgration et cration de pices, positionnement, pices standards,contraintes, matriaux, ;

Dessin (2D), mise en plan, conventions, cration des vues, mise des ctes, annotations, ;

Ce cours est accompagn de sances de travaux pratiques qui permettront aux tudiantsdexploiter dune faon concrte les connaissances acquises dans ce cours.

Evaluation :

Test

Examen fin danne la fin du programme


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Chapitre 1

Introduction la conception assistepar ordinateur

Table des matires

1. Dfinition de la CAO.................................................................................................................................... 41.1 Historique ............................................................................................................................................... 41.2 Evolution de la CAO : ............................................................................................................................ 41.3 La conception ......................................................................................................................................... 51.4 La conception assiste ............................................................................................................................ 61.5 La conception assiste par ordinateur..................................................................................................... 71.6 Critres de choix d'un systme CAO ..................................................................................................... 81.7 Avantages de la CAO ............................................................................................................................. 8

2. La CAO au bureau dtudes ....................................................................................................................... 102.1 Introduction .......................................................................................................................................... 102.2 Rle du bureau dtudes ....................................................................................................................... 102.3 Rpartition des tches dans un bureau dtudes ................................................................................... 10

3. Modlisation gomtrique en CAO ............................................................................................................. 134. Conclusion : La CAO du futur ................................................................................................................... 20


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1. Dfinition de la CAOLa CAO est une technique dans laquelle lhomme et lordinateur sont rassembls pour la solution

des problmes techniques en une quipe qui allie troitement les meilleures qualits de chacundeux, de telle manire que lquipe travaille mieux que chacun sparment. D'aprs

D.T.Ross.

En dautres termes, la CAO cest lensemble des outils et procdures utilisant linformatique etpermettant dtablir une synergie entre lhomme et lordinateur en mettant au mieux profit leursqualits complmentaires dune part, en confrant lordinateur les travaux de stockagedinformation et danalyse routinire fastidieux et automatisables comme ltablissement denomenclatures, la mise en place et la consultation de catalogues, la cotation de plans, lanalysedeffets de tolrance, la rsolution de grands systmes dquations, etc., et dautre part, en laissant lhomme les travaux de synthse cratrice.

Toutefois, on notera que lexpression Conception Assiste par Ordinateur peut tretrompeuse, car elle peut laisser croire que lordinateur supplante pratiquement le concepteur.Lobservation immdiate permet de constater que lordinateur peut manier un trs grand nombre dedonnes quantitatives ou logiques, les traiter grande vitesse, et cela sans erreur, alors que lhommeexcelle dans lapprhension qualitative des spcifications, des structures et des rsultats.

1.1 HistoriqueLemploi de lordinateur dans les projets et les bureaux dtudes qui cherchent toujours

trouver des solutions la fois conomiques et de bonne qualit, conduit une informatique quipossde ses caractres propres ; cest diffrent de la gestion, de la banque, du pur calcul.

A ne pas confondre la CAO (conception assist par ordinateur) avec la DAO. Dans la DAO(dessin assist par ordinateur), lordinateur sert seulement dessiner plus rapidement, plussrement, plus prcisment ; mieux grer les plans.

Dans la CAO, le dessin est coupl au calcul : toute information de dessin donnerait accs une information de performance, tout dtail ou toute modification ajoute au dessin se traduirait enun dtail ou une modification de ces performances.

Concevoir un objet tel quil soit, avec un systme CAO ncessite des outils informatiquesplus ou moins complexes, selon les cas, pour donner lutilisateur final les moyens de dialogueravec le systme CAO. Cet utilisateur final sera appel dans toute la suite oprateur dialogueravec le systme cela peut vouloir dire : crer des lments ; modifier des lments ; comprendre les tats de la conception en cours ; faire excuter les oprations de simulation ; avoir un retour (feedback) du systme, pour comprendre leffet de telle ou telle action.

1.2 Evolution de la CAO :La conception et la fabrication sont le cur des activits contribuant la ralisation des produits

qui peuvent tre couls sur le march et qui peuvent rapporter un profil.De nombreux changements se sont produits ces trois dernires dcennies dans le domaine deconception et de la fabrication. Il y a eu, tout dabord, le dveloppement de la CAO ensuite la FAO(fabrication assist par ordinateur).Le systme de CAO des annes 60 supporte le dessin bidimensionnel (2D) ensuite, lextension dessystmes (2D) aux systmes (3D) a aboutit au dveloppement du modle filaire. Ce pendant, ce


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modle ne peut reprsenter des gomtries de niveau plus haut tel que les surfaces. Et ce nest quaudbut des annes 70 que les modles surfaciques sont apparus. Cest une reprsentation de niveauplus leve que la filaire mais pas assez pour reprsenter les volumes ou les solides.

Le besoin des modles solides a t ressent avec lvolution de la commande numrique et dela mthode des lments finis.Au dbut des annes 70 la modlisation solide a commenc se rpandre. Maintenant, les systmesCFAO (conception et fabrication assist par ordinateur) supportent lensemble des trois modles(filaire, surfacique et volumique) et intgrent plusieurs fonctionnalits (Multi-Utilisateur, gestiondes accs, gestion des versions).En 1980 Auto desk a distribu ses premiers releases dAutoCAD sur PC parmi les nombreuxsystmes de haute gamme dvelopps pour des plateformes PCS sous environnement Windows.

1.3 La conception

La recherche d'une dfinition de la conception assiste par ordinateur est un exercice pluttfutile, et nous avons prfr une explication plus proche du vcu du travail de l'ingnieur. Il s'agitd'imaginer, de formuler des solutions pour remplir des fonctions bien dfinies l'intrieur d'unensemble de contraintes. Gnralement, l'atteinte d'une solution (d'un design) n'est pas directe saufpour des problmes extrmement simples. Le processus est plutt itratif tel qu'illustr la Figure1.1. De faon simpliste, on distingue d'abord le choix d'un modle reprsentant le phnomnephysique du problme. Ensuite, un premier design est labor et, on vrifie si les contraintes sontsatisfaites. On modifie le design et on rpte jusqu' ce que le design vrifie les contraintes.

On peut dcrire la conception ou le design comme un processus itratif au cours duquel unobjet est conu et modifi afin qu'il puisse remplir des fonctions bien dfinies et se conformer unensemble de contraintes.

On identifie plusieurs tapes dans cette dmarche:

i) cration d'un modle de l'objet,

ii) analyses, essais et simulation,

iii) construction de prototypes,

iv) modifications,

v) ralisation de l'objet.

quelques variantes prs dans l'enchanement de ces tapes, la mthodologie est la mme quel'objet, soit un barrage, un circuit lectrique, une pice mcanique, etc.

Autres caractristiques communes l'ensemble des activits de conception sont les moyens oumdia utiliss par le concepteur:

i) outils analytiques - formules empiriques et quations issues de modles mathmatiques. Ceux-cisont utiliss aussi bien lors de la cration d'un modle, lors de son analyse, ou desmodifications;

ii) information - proprits et caractristiques de toutes sortes, design antrieurs, etc. Cesinformations auxquelles l'ingnieur fait appel sont contenues dans des manuels, dans sa propremmoire, dans des plans, etc. Leurs formes sont varies : chiffres, graphiques, textuelles. On arecours aux informations galement toutes les phases du processus de conception;


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iii) communication - l'ingnieur doit communiquer ou consacrer les rsultats de son travail l'uneou l'autre des phases. Par exemple, il lui faut communiquer la forme du modle pour laralisation d'un prototype, ou bien les rsultats d'un calcul de contraintes pour raliser certainesmodifications. Les modes de communication sont graphiques, chiffrs ou bien textuels.

Figure 1.2: La conception

Pris sparment, ces aspects donnent lieu des activits quantitatives (ou non cratives) etdes activits qualitatives (cratives). L'aspect cratif de l'activit de design se manifeste videmmentlors de la cration d'un modle, mais galement tout au long du cheminement, c'est--dire dans lechoix d'une mthode de calcul plutt qu'une autre, l'appel telle information ou l'interprtation d'uncalcul, l'laboration d'une modification la suite d'une simulation, etc. La coordination de toutes cesactivits en fonction d'un objectif et menant une ralisation est le processus de design.

1.4 La conception assiste

mesure que l'envergure et la complexit des projets augmentent, chacune des tapes et desmoyens mis en uvre deviennent plus labors et ncessitent une certaine spcialisation. Ainsi leconcepteur ne peut plus communiquer avec un technicien l'aide d'un dessin fait rapidement mainleve au-del du stade prliminaire. La ralisation des pices est telle que beaucoup d'informationdoit tre transmise de faon complte et non quivoque. Ceci a donn lieu au dessin industriel, c'est--dire la codification de la communication graphique. De faon semblable, on ne peut plus analyserles contraintes dans une pice mcanique ou la rponse d'un circuit par une simple formule tired'un manuel. On utilise plutt un calcul numrique par une mthode discrte tels les lments finis.Le concepteur communique au programme de calcul la gomtrie de la pice (ou la topologie ducircuit) sous une forme codifie.

Donc chacune des tapes, le concepteur fait appel des "intermdiaires" qui restreignent,ralentissent et augmentent le temps et le cot d'un design. Pire encore, alors qu'il travaille avec lemme objet, il le communique par diffrents mdias diffrents "intermdiaires" (dessins oucoordonnes chiffres).

Cration dun modle

Plans

Contraintes Design initial

Analyses Modifications

Ateliers

Non

Oui


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On atteint donc le point o la coordination de ces activits dpasse la capacit d'un seulcerveau, et ceci en grande partie cause de certaines fonctions secondaires caractre non cratif.Heureusement, ces fonctions sont de nature quantitative et peuvent tre confies des auxiliaires(dessinateurs, programmeurs) et librer le concepteur pour les tches qualitatives qui sont du niveaude ses aptitudes et de sa formation. On atteint ainsi la conception assiste dont la nature n'a paschang. Seulement certaines modalits ont t modifies.

On peut schmatiser cette structure comme la Figure 1.2. Il est important de maintenir une bonneproportion entre les tches cratrices et non cratrices. L'efficacit du processus global en dpend.

Figure 1.2: La conception assiste

1.5 La conception assiste par ordinateur

Les exigences technologiques donnent lieu des projets complexes et qui rsultent en unmorcellement du travail. La proportion des tches quantitatives par rapport aux tchesqualitatives augmente et ceci jusqu'au point o elles inhibent le processus de conception. Dans uncontexte de march, il est invitable que l'on songe augmenter son rendement. Les exemples dansle pass industriel ne manquent pas o, par des investissements massifs dans les machines etquipements, on a hauss trs substantiellement la productivit des travailleurs. L'industrie setrouve vis--vis ses travailleurs intellectuels dans la mme situation qu'au dbut du sicle avec lestravailleurs manuels. Le pari des entreprises est que la CAO permettra une hausse semblable de laproductivit des ingnieurs.

Les progrs dans le domaine de l'lectronique mettent, la disposition de l'ingnieur, unepuissance de calcul, de mmoire et de traitement norme et ceci bon march. D'autre part, lacration de logiciels extrmement volus permet d'informatiser de nombreuses tches quantitativesdu processus de conception tout en librant l'esprit pour les tches de jugement et dcisionnelles.On obtient alors un lien symbiotique utilisant au mieux les qualits de l'homme et de l'ordinateur.La division des tches entre l'ingnieur et la machine n'est certes pas aise mais dj des systmesexistants ont fait d'normes progrs vers une telle intgration. La faon dont le cerveau humaincombine des donnes et fait appel des ressources en fonction de certains objectifs est complexe etloin d'tre claire. La ralisation de cet objectif constitue un des domaines d'avenir et sa matrise seral'quivalent de la rvolution industrielle pour le travail intellectuel.


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On utilise la capacit de calcul, de stockage et de traitement de l'ordinateur, allis auxcapacits de reconnaissances de formes, d'valuation, de jugement de situations complexes(conflictuelles) et les possibilits de l'intuition de l'humain pour imaginer de nouvelles solutions.

Figure 1.3: La conception assiste par ordinateur

Les avantages sont immdiatement apparus aux industriels et on a assist au cours des quelquesdernires annes une intgration de l'informatique dans les mthodes de calcul et de conception del'ingnieur qui peut se schmatiser de la faon illustre la Figure 1.3.

1.6 Critres de choix d'un systme CAOAvant le choix dfinitif d'un logiciel CAO, certains piges sont viter :

configuration de matriel informatique insuffisante la vue de performances attendues etqui imposent rapidement des extensions onreuses ou mme parfois impossibles. manque d'ouverture du logiciel pour le dveloppement d'application. possibilits de cration allchantes mais qui s'avrent d'un emploi trs restrictif. conditions d'acquisition de nouveaux modules ou extension du nombre de poste de travail. volution trs lente du logiciel au regard de la concurrence ou mme incertitude quant lacontinuit du fabricant.En tout tat de cause, il ne faut pas oublier qu'un logiciel de CFAO n'est pas fig: il doit

rpondre aux besoins de dveloppement en continuelle progression et il doit mriter la confiancequi lui est accord.

1.7 Avantages de la CAO

Sous l'effet de fortes pressions provenant de la comptition, de la conjoncture conomique,de diverses contraintes du public et des organismes gouvernementaux pour de meilleurs produits (et meilleur march), l'industrie est force de hausser la productivit du personnel technique. Il estvite apparu qu' l'aide de l'informatique, des conomies apprciables sont possibles pour chacunedes diffrentes phases du processus de design.


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i) Cration d'un modle l'aide des systmes CAO disponibles sur le march, la cration gomtrique d'un objet (pice,circuit, etc.) est grandement facilite. On peut galement tudier l'objet sous divers angles et entirer des copies volont diffrents niveaux de ralisme.

ii) AnalyseLes caractristiques de l'objet, une fois cr, sont immdiatement disponibles pour des programmesd'analyse ou de simulation (lments finis, vibrations, rponses en frquence..) et, en retour, l'usagerreoit les rsultats de ces calculs sous forme graphique pour valuer si l'objet est conforme auxcontraintes.

iii) ModificationsSuite l'analyse ou la simulation, des modifications sont faciles et rapides incorporer, au modleinformatique.

Avec un tel outil, il est possible d'envisager plusieurs solutions et de choisir la plus adquate. A titred'exemple, on cite dans l'industrie de l'automobile pour la mise au point d'un nouveau modle.

Il est vident que la CAO n'est qu'un outil, mais un outil qui modifie l'exercice de laprofession de l'ingnieur et permet de faire un meilleur travail. Par exemple, dans le domaine desstructures, les programmes d'analyses sont devenus trs prcis et complets de manire ce que lecomportement d'lments telles les poutres, etc., peut tre analys avec beaucoup plus de fiabilit etde dtails qu'avec les formules empiriques utilises auparavant. Il est alors envisageable d'optimiserun design par l'utilisation itrative de ces outils et de dceler des comportements qui ne seraientapparus que lors de la ralisation du prototype (ou pire, lors du produit fini).

Cette approche est en vigueur depuis plusieurs annes dans les domaines de hautetechnologie (aviation, nuclaire, lectronique ...) o les mthodes traditionnelles sont devenuesdsutes. La progression de ces mthodes avances de conception est rapide et moyen terme, ellesseront utilises dans la plupart des entreprises.Les crations du concepteur sont converties en numrique et mises en mmoire par lordinateur. Ilsera ultrieurement possible de convertir ces donnes numriques en un dessin sur papier de laconception. Les graphiques interactifs apportent les avantages suivants aux tudes industrielles : Visualisation amliore de lobjet en cours de conception. En cas dalternative, il faudra relativement peu de temps pour comparer deux conceptions la

diffrence de ce que permet la mthode conventionnelle. Facilit de conception de pices destines semboter dans un produit assembl. Simulation possible du fonctionnement de lobjet en cours de conception. Possibilit de rsoudre aisment et en temps rel les problmes de calcul poss par la

conception. Au niveau du bureau d'tudes ou des services commerciaux, un outil de CAO va, par exemple,

permettre de construire virtuellement le produit, de le visualiser, ce qui permettra unemeilleure apprhension des formes et des volumes, une valuation des effets d'ventuellesmodifications.

A condition d'en avoir la volont, la CAO va favoriser la standardisation par la cration debibliothques de pices et de composants, favorisant certains effets de srie et conomisant letemps des conceptions de pices inutilement quasi identiques.


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Le travail de bureau d'tudes est classiquement constitu d'une grande majorit de tchesrptitives sans valeur ajoute : dessin dtaill pour formaliser des objets parfaitement conusdans l'esprit du projeteur, reprise de pices ou de dessins identiques. Dans ce domaine, l'apportde l'outil informatique peut tre trs important et modifier fondamentalement la nature dutravail effectu, rendant aux projeteurs le temps de se consacrer une tche vraiment utile.

D'une manire gnrale, cet outil va permettre un gain de temps, de productivit et de scurit,par la possibilit qu'il offre de dcliner des produits comportant des aspects communs ensupprimant les aspects fastidieux de recopie et de rptition, tout en vitant les erreurs quipourraient se produire dans ces tches sans relle valeur ajoute. Cest notamment le cas pour laprise en compte des donnes techniques d'usinage lors de l'laboration des fiches de dbit despices.

2. La CAO au bureau dtudes

2.1 IntroductionLa CAO a vu le jour dans les bureaux dtudes pour des applications en lectronique. La

premire utilisation tait dans le domaine de la schmatique lectronique (librairie de symboles,simulation, ralisation des circuits imprims,). Maintenant, cest dans le domaine de lamcanique quelle connat le plus grand essor. En effet, la CAO est trs rpondue dans les bureauxdtudes des industries automobiles, aronautiques, plastiques, etc.Elle a permis dautomatiser de nombreuses tches propres aux bureaux dtudes, ceci a eu uneconsquence directe sur la productivit des entreprises, puisque le temps allou la ralisation deces tches se trouvant rduit. Ainsi, lentreprise peut consacrer plus de temps aux travaux derecherche, de dveloppement et de cration.

2.2 Rle du bureau dtudesLe rle du bureau dtudes est de concevoir un produit en sappuyant sur des informations

internes (catalogues, produits de lentreprise, procd de lentreprise,..) ou externes brevet, normes,documents constructeurs, mthodes de calcul,..).Le produit concevoir peut tre une amlioration ou une modification dun produit existant voiremme un nouveau produit.La conception prend en compte trois tapes essentielles :

Etude sur la faisabilit du produit Etude conomique (valuation du cot) Dessin (dfinition des formes, cinmatique, encombrement, .) Dimensionnement (calcul de structure, fluide, thermique, ) Cration des documents de rfrences (notice dutilisation, dassemblage, de maintenance,

).

2.3 Rpartition des tches dans un bureau dtudesSans laide de linformatique et par consquent les logiciels de CAO, seulement 10% du

temps de conception dun produit est consacr la cration, 20% aux travaux de reprise et 70% auxtravaux de recopie :

Cration Travaux de reprise : modification et correction des erreurs


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Travaux de recopie : mise au net, production de plan, calculs, La rpartition des tches dans le bureau dtudes laisse peu de temps aux travaux de cration (10%par rapport au temps total de conception dun nouveau produit). En effet, la cration dun produitindustriel, que ce soit un nouveau produit ou une varit dun produit dj existant, est explicit parle schma de la figure suivante :

Figure 1.4: Rpartition des taches au bureau dtudesOn constate que pendant le processus de cration dun produit, certaines taches sont itres et quedes modifications frquentes peuvent survenir. Ce constat suggre, pour une meilleure productivit,lutilisation dun support rapide pour traiter les donnes du problme, permettant ainsi la mise jourde ces donnes dune manire efficace. Pour ce faire, il faut sorienter vers une automatisationmme partielle des diffrentes tches.

Lobjectif ainsi fix par la CAO est de rduire les temps des travaux de reprises et destravaux de recopie pour laisser plus de temps la cration. Cet objectif peut tre atteint en facilitantles tches suivantes :

Production de dessin Cration et dition des entits gomtriques Gestion des niveaux de calque ( Layout ) : chaque pice est dessine sur un niveau de

calque passage rapide dun dessin densemble un dessin de dfinition Habillage de plan (hachure, cotation, ) Affichage et manipulation de dessin (zoom, changement dchelle) Transformation gomtrique (symtrie, rotation, translation)


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Fonction de groupe (cration dlment partir de primitives lmentaires qui peuvent treutilises en tant que groupe et manipules comme un lment gomtrique de base bibliothque de composant)

Extraction des donnes de base (coordonnes dun point, longueur dun segment, surface,volume, moment dinertie, poids, )

Paramtrage (dfinir une cte par un paramtre, tablir des relations entre deux ctes) Production et gestion de la documentation Notice dassemblage Notice dutilisation Notice de maintenance Cration et Rutilisation de lexistant Savoir-faire de lentreprise Cration dun nouveau produit partir dun ancien quand il ny a pas un changement

radical de la solution Varits de produit

Exemple: pompe volumtrique 5 pistons au lieu de 3.


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3. Modlisation gomtrique en CAO

Plusieurs types de modles gomtriques sont utiliss dans les systmes de CAO : les modlessolides, les modles 2D filaires, les modles 3D filaires, les modles surfaciques et lescombinaisons filaires-surfaciques.

La modlisation gomtrique est la reprsentation des objets du point de vue de leurs propritsgomtriques.

Cest une description informatique des formes et des dimensions de cet objet.

Il existe deux modles de reprsentation:

Bi-dimensionnelReprsente les objets dans un espace deux dimensions (x, y) donc la reprsentation est sur unplan.

TridimensionnelReprsente virtuellement un objet dans un espace 3 dimensions

Suivant la nature de lobjet, sa complexit et le domaine dutilisation trois types de modle peuventtre utiliss:

Filaire;

Surfacique;

Solide.

3.1Les modles filaires

Le modle 2D Filaire

Il utilise des primitives 2D comme les points, les lignes, les arcs circulaires, les ellipses et lessplinesOutils de construction par lment tangent, perpendiculaire, parallle,


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Accrochage par point extrmit, point milieu, centreCotation et habillage de plans (tolrance, cartouche, nomenclature, )Calculs lis la gomtrie des aires planes (primtre, aire, centre de gravit, rayon de giration)Avantages:

Modification rapide; Meilleure gestion (recherche, archivage,); Les coordonnes ainsi que les lments de la gomtrie peuvent eetre valus et places

avec une excellente prcision.Limites: Il est ambigu. Une interprtation humaine est requise pour raliser une pice partir dun

modle; Il ne possde pas la notion de Face (Fil de fer); Il est difficile lire et analyser. Les relations spatiales entre les composants dun

assemblage complexe sont difficilement visualisables. Lutilisation rpandue de multiplesvues auxiliaires, de coupes, de maquettes latteste largement.

Il est susceptible de contenir des erreurs. A cause des problmes dinterprtation etdambigit , le modle filaire 2D est difficilement contrlable au niveau des erreurs dudessinateur ou de ses incohrences

Le modle 3D Filaire

Il utilise les extrusions 3D du modle 2D filaires: les points dans lespace, les droites entre deuxpoints, les arcs circulaires les courbes gauches contrles par une srie de points, les courbesrgulires (cercles, ellipse) ajustes sur des plans.Avantages:

Les modles 3D sont beaucoup plus facilement visualisable que ceux de 2D. Temps CPU plus faibles que celui du modle surfacique ou solide.

Limites: Les faces habillant la structure filaire ne sont pas dfinies par le modle. Toute

interprtation est difficile voire impossible. Il nexiste pas une mthode permettant dassurer que le modle est complet ou dnu

derreurs. Par exemple, une arte ou une face peut manquer ou encore traverser lasection dun solide.

Il nexiste pas doutils automatiques de modification globale dun modle. Parexemple, fusionner deux ensembles ou agrandir le diamtre dun trou nest pasenvisageable en tant que commande de la modlisation.


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3.2 Le modle SurfaciqueIl permet de reprsenter des surfaces.Chaque section dlimite reprsente alors une face sur un lment ou un carreau qui est un sous-lment dune face plus grande. La face (ou un carreau de surface) est borde par des droites danslespace ou des courbes gauches (entits caractristiques de 3D filaire).Les surfaces peuvent tre simples, rgulires comme les sphres ou peuvent tre lesreprsentations plus complexes de surfaces rgles, des courbes splines extrudes, de surfaces dervolution ou de surfaces gauches.Le modle surfacique tridimensionnel est utilis pour reprsenter les nombreuses formes qui nepeuvent tre modlises correctement avec le filaire (par exemple, les combins de tlphone, lescarrosseries dautomobiles, hlice propulsion, les engrenages).Avantages : il nest pas ambigu il peut tre dot dalgorithmes pour liminer les lignes et les faces caches pour donner plus

de ralisme lors de laffichage dune gomtrie. Lombrage et le rendu raliste nest pasdisponible que pour les modles surfacique et solide.

Dfinition exacte Facilite la reprsentation lusinage (FAO) Facilite le maillage (calcul par la mthode des lments finis).

Limites: lutilisateur doit avoir une formation pousse ainsi que des connaissances mathmatiques. les modles surfacique est plus complexe que le modle filaire et ncessite un temps de

calcul (CPU) plus long et des capacits de stockage plus grandes. comme il nest pas dot dinformations concernant la topologie, lutilisateur peut ne pas

distinguer lintrieur ou lextrieur dun objet. problmes quand on labore des objets dlicats ou une inflation de face savre

indispensable pour manipuler efficacement les rgions irrgulires dune surface. Parexemple, si lon considre lintersection de deux tuyaux, la zone dinterfrence requiert unecollection impressionnante de carreaux sappuyant sur des surfaces de degr lev: BEZIER,B-SPLINE, NURBS


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3.2 Le modle SolideGrce un systme de modlisation solide, un modle solide (qui est ni filaire ni surfacique) estutilis comme reprsentation de base en CAO. La figure suivante montre les lments defonctionnement au cur du systme de modlisation solide.

Figure 1.5 : systme de modlisation solide.Le modeleur et le gnrateur de visualisation sont les lments cls du systme de modlisationsolide.Le modeleurLe modeleur fournit diffrents outils qui peuvent tre utiliss pour construire et modifier les solides.Ces outils peuvent comprendre: les primitives ( atomes de la modlisation), le balayage (extrusion) utilis pour crer un

solide partir de section en 2D; les oprateurs unaires (utiliss pour copier, appliquer les transformations du type

translation, symtrie); les oprateurs boolens (utiliss pour combiner deux ou plusieurs solides afin de crer un

solide complexe); les features (pour crer directement un ensemble fonctionnel).

Le modeleur solide peut intgrer des modules dingnierie (calcul de structure) et les applicationstechnologiques (usinage, assemblage).Le gnrateur de visualisationLe gnrateur de visualisation permet de crer une image 2D ou 3D du modle sur lcran. Limagepeut tre filaire, montrant toutes les artes du modle; solide (sans lignes caches); ou ombre.Le modle SolideIl permet de reprsenter des volumes (notion de matire).Le modeleur et le gnrateur de visualisation sont les lments cls du systme de modlisationsolide.Avantages: Il est fini et non ambigu

Parce quil est fini, il fournit une reprsentation unique, valable pour toutes les taaches CAO/FAO.Parce quil est non ambigu, il est adapt lautomatisation de la plupart des taaches (sinon toutes)de la CFAO.Des projections trs ralistes dimages sont cres pour que le concepteur les visualise ou pour quilcommunique lextrieur.


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un modle solide ne peut pas avoir une face manquante ou une arte isole. Ainsi, deserreurs ou des des constructions impossibles peuvent tre vites.

fournit les mthodes gnrant des formes de haut niveau (raccordement, dpouille...). il peut tre utilis pour le calcul des caractristiques volumiques et massiques (poids,

moment dinertie), la modlisation en lments finis, la gnration des trajectoires doutil,les coupes et les sections ainsi que la dtection des interfrences.

Limites: temps de calcul CPU lev (souvent remdi par un modle mixte: Filaire-Solide) espace de stockage lev

Il existe plusieurs types de modles solides: CSG Constructive Solid Geometry B-REP Boundary REPresentation Modle Solide par dcomposition Cellulaire Cell Decomposition Modle par Enumration Spatiale Spatial Enumeration Modle Solide Analytique ASM: Analytic Solid Modeling

Le CSG et le B-REP possdent la plupart des caractristiques que doit avoir un modle solide.3.2.1 Le modle CSGLes modles orients CSG privilgient lapproche matire. Le CSG est par dfinition unemodlisation aussi voisine que possible du processus de construction du solide.Laspect procdural qui en dcoule induit une assez grande stabilit des objets produits.La dpendance totale vis--vis du processus de construction (cest--dire la non unicit) induit unmanque dintgrit.Dans le cas gnral, le CSG consiste dcrire les oprations boolennes pour la construction dusolide. La composition arborescente de solides reprsente sous forme darbre binaire dfini par: Un sous-arbre gauche Un sous-arbre doit Un oprateur de composition (union, intersection, diffrence) qui est ltiquette de la racine.

Chacun des sous-arbres est dfini rcursivement de la mme faon.Les feuilles de larbre reprsente les primitives solides ou solides canoniques tels que:

les paralllpipdes Les sphres les cylindres les cnes les tores, etc

Ldition dun arbre CSG (ou arbre boolen) donne une consistance au modle, en ce sensquil est tout moment re-interprtable (cf. Figure suivante)


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3.2.2 Le modle B-REP

Les modeleurs orients B-REP privilgient lapproche surface. Il sagit ici de reprsenter lafrontire (ou peau de solide). Linformation stocke est gnralement gomtrique et topologique.latopologie dcrit comment les lments de la gomtrie sont connects. Ces lments sont lessommets, les artes et les faces. Ils sont stocks sous forme de nuds dans un tableau et despointeurs qui indiquent la connectivit. La topologie reprsente 80% du modle par rapport lagomtrie (20%).

3.2.3 Modle mixte CSG B-REPLes observations prcdentes mettent en vidence une complmentarit des deux modles CSG etB-REP, au moins en ce qui concerne lintgrit et la stabilit. Assurer entre eux une cohrencetotale (ce qui impose doffrir les mmes services sur les deux modles est un problme non rsolu ce jour. Des compromis sont nanmoins proposs :

Simuler un service B-REP par un service boolen de moins bonne qualit (exemple proposerun fillet par union ou soustraction).

Interdire les services CSG non triviaux (tels que les modifications directes sur larbrerelatives aux primitives ou aux oprations).

Introduire systmatiquement une dfinition procdurale de satomes du modle B-REPpermettant de les raccrocher aux primitives deu modle CSG.

3.2.4 Autres modles solidesDcomposition cellulaire (Cell Decomposition)Un solide est dcrit sous forme dun ensemble de volumes lmentaires appels cellules.Ces cellules sont assembles sans intersection.


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La dcomposition cellulaire ressemble du point de vue topologie au modle CSG o lunion est laseule opration boolenne autorise. Cette technique nest pas trs utilise, mais elle est la base ducalcul par la mthode des lments finis. Lanalyse de forme complexe est approxim par lanalysedun assembl dlments simples constituant cette forme.

La dcomposition cellulaire est non ambigu.Elle nest pas unique (la dcomposition du solide en petits volumes peut se faire de diffrentsmanires).Deux mthodes de dcomposition :Grille RgulirePar cette mthode, appel aussi Spatial Occupancy Enumeration, le domaine 3D est dcomposen cellules de formes cubique ayant les mmes dimensions appels Voxel. Plus le voxel est petitplus la prcision pour reprsenter les formes courbes augmente et par consquent un accroissementde lespace de stockage et du temps de calcul.

Cette solution est unique et non ambigu.Encodage Binaire OctreeLencodage binaire Octree (encodage Quatree en 2D) est une gnralisation de la mthodepar numration spatiale o les cellules peuvent avoir des dimensions variables. La structurehirarchique de loctree met en vidence une dcomposition rcursive dun objet en cubes dedimensions variables.

Instanciation de primitivesLinstanciation de primitives est base sur la notion de familles dobjet. Une famille appele aussiprimitive gnrique est constitue dobjets ayant la mme gomtrie mais des dimensionsdiffrentes. Chaque objet dune famille est appel instance.

Ce modle est unique et non ambiguExtrusion ou SweepDans cette reprsentation un solide est dfini en tant que volume extrud. La mthode deconstruction consiste extruder un profil compos de segments de droite et darcs de cercle le longdune courbe appele directrice pour faire un tube. Cette mthode consiste aussi faire tourner ceprofil autour dun axe pour faire un solide de rvolution.Modle Solide AnalytiqueLe modle solide analytique ASM : Analytic Solid Modeling permet de reprsenter un solide parune formulation paramtrique 3D utilisant trois paramtres u,v, w. cest une extension desformulations paramtriques des courbes (u) et des surfaces (u, v). Comme pour les surfaces, unsolide dcrit par ses coordonnes cartsiennes x, y, z est transform Mapping en un espaceparamtrique 3D pour obtenir un solide paramtr.

3.3 Intgration du 2D filaire avec les solides

En dpit de leurs limitations, les capacits de la modlisation 2D continueront constituer unservice utile pour tout systme CAO bas sur la modlisation solide. Deux activits demeurentessentielles aujourdhui :

Les plans destins la production : les plans peuvent tre tracs partir des modles solides.Ces plans sont alors dtaills et achevs grce aux capacits du systme.


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Gnration de coupe 2D. Elles sont extrudes ou subissent une rvolution pour engendrerdes solides. Ces coupes peuvent tre initialement des modles filaires 2D provenant dautressystmes CAO. Ils peuvent reprsenter des bauches qui nont pas encore t modlises ensolide.

3.4 Intgration du 3D filaire avec les solidesContrairement aux modeleurs prcdents, de nombreux systmes de CAO possdent actuellementles deux modes de reprsentation 3D filaire et solide. Dans la plupart des installations, les deux sontutilises. Certains expliquent cet tat de fait pour des raisons de performance dans la mesure o le3D filaire est mieux adapt certaines applications.

La figure suivante prsente le modle 3D filaire (a) dune pice (b)

4. Conclusion : La CAO du futur

Lanalyse des systmes de CAO les plus modernes et ceux encore au stade de prototypes permetdentrevoir plusieurs directions dvolution des outils de CAO.

Les progrs des composants lectroniques et des quipements informatiques entrainent unediminution permanente, performances gales, du cout des lments matriels des systmes deCAO ; ce phnomne a deux consquences directes : mettre les outils de CAO la porte dun plusgrand nombre dutilisateurs et de professions et amliorer de faon sensible les performances et lesfonctions des systmes de CAO.

La puissance et la vitesse de traitement, les volumes des donnes manipuls et la capacit demmorisation des ordinateurs utiliss dans les applications de CAO augmentent aujourdhui trsrapidement. Il en rsulte, dune part, la possibilit de mise en uvre de solutions algorithmiquesplus puissantes qui ne pouvaient tre retenus antrieurement pour des raisons conomiques, dautrespart un largissement des banques de donnes et des banques dalgorithmes.


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De ce fait les systmes de CAO voient, la satisfaction des utilisateurs, leur porte stendre enraison dune intgration plus pousse des programmes dapplication entre eux et dune meilleurecommunication entre les divers types de descriptions et des donnes relatives aux produits concevoir.

Lorsque lon imagine lenvironnement industriel de demain, on pressent la venue de quatre typesde changements essentiels :

La reprsentation des objets et des donnes sera faite dans des mmoires dordinateur pluttque sur le papier (ce qui est peut tre un danger pour la civilisation).

La construction de nombreuses bases de donnes dont la plupart seront relies des rseauxinformatiques interconnects.

Le dveloppement de programmes experts qui seront capables la fois de vrifier lacohrence et la validit des informations contenues dans une base de donnes et derechercher les implications de linteraction des informations issues de bases de donnesdistinctes et distantes. Ces systmes ne seront pas figs et pourront tre modifis avec unerelative facilit par le concepteur.

Llargissement de la bande passante pour la communication la fois graphique et oraleentre lhomme et lordinateur par ladaptation des interfaces aux facults sensorielles etintellectuelles de lhomme.

On peut sattendre ce que ces changements conduisent une modification profonde sur la natureet les conditions de travail.

Lorsque lingnieur ou le technicien aura besoin de consulter une donne ou un dessin, il se fera surun terminal cran ou graphique. Lorsquil devra traiter un groupe de composants et des produitsrelativement tendu, il naura pas se soucier lui-mme de la manire dont ces lmentssassemblent, peuvent tre fabriqus dans lusine, ou si les matires premires et les machinesncessaires leur fabrication seront disponibles.

Ces problmes seront directement traits par les systmes de CFAO qui seront dots doutilslogiciels fortes capacits de dduction.

01_chap1_introduction à la cao_version 04.10.2013

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