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Ce livre blanc examine les études de conception et les analyses de compromis en tant que bonnes pratiques permettant de prendre de meilleures décisions de conception au début du cycle de vie du développement de produits. Il expose les avantages que vous pouvez en retirer pour résoudre certaines difficultés dans les domaines du génie électrique, du génie mécanique et du génie civil. Un scénario différent est présenté pour chacune de ces disciplines et met en valeur les fonctionnalités de PTC® Mathcad® qui rationalisent les performances des études de conception et des analyses de compromis.

En suivant ces bonnes pratiques, le Bureau d’études peut opérer plus rapidement ses choix de conception, avec l’assurance d’avoir évalué toutes les possibilités les plus prometteuses. Le fait de prendre les décisions de conception les plus adaptées au début du cycle de vie du développement de produits entraîne une série d’avantages :

• Délai de mise sur le marché plus court avec moins de risques

• Créativité de l’ingénierie favorisée par l’exploration rapide d’un plus grand nombre de conceptions

• Conceptions de produits optimisées permettant d’atteindre les performances réelles souhaitées

• Diminution des coûts relatifs au produit, à la garantie et au développement

Études de conception et analyses de compromis : une bonne pratique pour améliorer les décisions de conception précoces

Les études de conception et les analyses de compromis constituent une bonne pratique pour améliorer les décisions de conception précoces qui, à leur tour, contribueront à réduire les coûts plus loin dans le processus de développement de produits. Les ingénieurs établissent des plages de performances

Bonnes pratiques du développement de produits: études de conception et analyses de compromis

et des courbes de compromis à l’aide de modèles mathématiques afin d’identifier rapidement la solution de conception la mieux adaptée aux spécifications du produit. Une étude ou une analyse bien documentée doit montrer clairement pourquoi la conception proposée présente le meilleur compromis possible en termes de performances et de coûts, et donner l’assurance qu’une meilleure solution n’a pas été laissée de côté.

Mais avant de tirer tous les avantages de cette bonne pratique, vous devrez affronter quelques difficultés.

De nombreux nouveaux produits sont en fait des variantes de produits existants. Si l’analyse d’origine de ces produits n’a pas été capturée ou ne peut pas être facilement retrouvée, vous devez refaire du travail qui a déjà été fait. Cette situation entraîne des délais de développement plus longs, mobilise des ressources précieuses et limite le nombre de conceptions qui peuvent être effectivement évaluées. Ce processus est particulièrement long et lent pour le nouveau personnel ou les nouveaux membres d’une équipe qui ne peuvent se baser sur aucune information connue.

Par exemple, si une analyse n’est pas documentée ni associée à une conception particulière, les ingénieurs du groupe de modélisation doivent supposer les raisons qui ont présidé à certains choix de conception. Si l’analyse était mieux commentée et accompagnée d’hypothèses, les ingénieurs pourraient passer plus rapidement, et avec plus d’assurance, à la phase de solution. Une conception mieux commentée et mieux organisée permet de communiquer plus efficacement avec la direction pour obtenir l’approbation de celle-ci, et de partager le travail entre les différents services ou dans l’ensemble de l’entreprise.

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Pour surmonter ces difficultés et tirer tous les avantages des études de conception et des analyses de compromis, les ingénieurs ont besoin des fonctionnalités essentielles qui leur permettent de :

• Générer rapidement des études de conception intégrant différents domaines fonctionnels, puis d’analyser et de documenter celles-ci

• Prendre en considération absolument toutes les exigences de conception afin de faire les meilleurs choix

• Évaluer avec efficacité et assurance la sensibilité des différents modèles pour comprendre et quantifier l’impact d’une modification sur les objectifs de conception (itération rapide des possibilités)

• Intégrer les résultats à des applications externes et communiquer clairement ceux-ci à tous les niveaux de l’entreprise ainsi que dans les différents groupes

Études de conception et analyses de compromis dans les différentes disciplines d’ingénierie

L’électricité, la mécanique et le génie civil bénéficient tous les trois des études de conception et des analyses de compromis. Pourtant, chaque discipline doit faire face à des défis uniques, présentés dans les trois scénarios ci-dessous.

Dans le premier scénario, un ingénieur électricien est chargé de reconcevoir un circuit peu performant dans un contrôleur de jeu vidéo et de respecter certaines exigences (fiabilité accrue, consommation électrique plus faible, meilleure interopérabilité avec les périphériques existants). Ensuite, une équipe de génie mécanique tente de déterminer le matériau

le mieux adapté à la force de préhension maximum d’un composant de bras robotisé tout en respectant les paramètres de conception (épaisseur, poids...) et les contraintes de coûts. Enfin, un bureau de génie civil est chargé de présenter les compromis coûts/bénéfices pour trois types de construction de pont en tenant compte des réglementations de sécurité du ministère des Transports.

Dans chaque scénario, les fonctionnalités requises pour sélectionner rapidement la meilleure conception sont offertes. Les exigences spécifiques des trois disciplines (génie électrique, génie mécanique et génie civil) sont prises en charge, ce qui permet à chaque équipe de :

• Créer facilement et intuitivement des options de conception de modèle mathématique

• Utiliser ce modèle pour itérer efficacement les options de conception

• Partager et passer en revue les options de conception avec le management et l’équipe au niveau mondial et ce, dans la plus grande transparence

Scénario 1 : Reconception des circuits pour de meilleures performances de jeu

Une société manufacturière demande à un ingénieur de reconcevoir les circuits d’un contrôleur de jeu vidéo pour un client. La nouvelle conception doit respecter des exigences spécifiques : une fiabilité accrue, une consommation électrique plus faible et une meilleure interopérabilité avec les périphériques existants. Les contraintes de coûts indiquent l’utilisation de composants du commerce, moins chers, dès que c’est possible.

Avec cet outil, l’ingénieur crée rapidement les modèles du composant de conception dans des documents. Un modèle se concentre sur l’analyse de compromis de l’impédance de différents circuits résistance-capacité du commerce. L’interface intuitive à tableau blanc et l’éditeur d’équations intégré permettent à l’ingénieur d’écrire les solutions et les contraintes dans une notation mathématique naturelle et familière (cf. Figure B). L’ingénieur peut alors consacrer son attention aux essais et à l’analyse elle-même, au lieu de s’échiner à « programmer » des formules illisibles.

Il dispose de plus de 600 fonctions mathématiques et de bibliothèques d’équations standard pour l’électricité, et peut ainsi créer rapidement et facilement des modèles de composant avant de les employer dans une conception.

Figure A : PTC Mathcad propose des bonnes pratiques à appliquer au stade « Bureau d’études » du tableau Développement de produits.

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Pour évaluer l’impact de toute modification de composant, l’ingénieur peut facilement modifier la valeur de la résistance par exemple, en la faisant passer de 8 à 30. Ces valeurs de composant sont vraisemblablement déjà disponibles dans une bibliothèque de composants prêts à l’emploi. Grâce à la notation mathématique naturelle interactive de l’outil, toute modification en temps réel (changement des basses fréquences, des hautes fréquences, des valeurs d’impédance totale) est immédiatement reflétée dans tout le modèle. L’outil vérifie les unités au fur et à mesure et permet ainsi de réduire les erreurs et d’améliorer l’exactitude des résultats. La notation mathématique naturelle, la précision du contrôle des unités et les équations interactives permettent une communication plus claire entre les ingénieurs, ce qui améliore l’efficacité du processus et diminue la probabilité d’erreurs coûteuses.

Le logiciel appelle automatiquement des calculs d’impédance définis précédemment ainsi qu’un tableau de fréquences pour générer un tracé de compromis d’impédance de transfert de premier ordre (cf. Figure D). Toute modification effectuée sur le tableau blanc ou dans les tableaux est immédiatement répercutée dans le tracé. Comme dans le cas de la modification du composant de résistance ci-dessus, la modification de la capacité entraîne automatiquement la mise à jour des tracés pour l’impédance en hautes fréquences et l’impédance totale. L’ingénieur peut alors évaluer et communiquer les choix de composant

de l’analyse de compromis pour avoir une compréhension claire des formules, avec les hypothèses et les calculs bien présentés - qu’il s’agisse de passer en revue une étude de conception avec le management, de passer un audit avec un organisme de réglementation ou de communiquer avec des membres de votre équipe dans d’autres régions du monde.

Figure B : Document PTC Mathcad affichant les calculs d’impédance totale pour un circuit RLC du premier ordre.

Figure C : Boucle PTC Mathcad pour l’impédance.

Figure D : Tracé PTC Mathcad montrant le compromis d’impédance de transfert de premier ordre.

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Scénario 2 : Évaluation de la limite d’élasticité de matériaux pour une armature robotisée

L’équipe d’ingénierie d’un fabricant d’équipement industriel doit évaluer la limite d’élasticité et les coûts de matériaux utilisés pour des « doigts » robotisés avec différentes forces de préhension. Les matériaux évalués incluent des aciers (ASTM A36, ASTM 514, acier inoxydable ANSI 302) et du polyéthylène haute densité (PEHD). Le matériau doit satisfaire aux exigences de limite d’élasticité et de résistance à la traction afin d’atteindre la force de préhension maximum en toute sécurité et s’adapter aux paramètres de conception existants comme l’épaisseur et le coût, ainsi qu’aux contraintes de coûts.

Avec l’interface intuitive à tableau blanc, les ingénieurs formulent rapidement une série de tracés et d’équations de compromis visuelles pour calculer le moment d’inertie de surface pour la flexion de l’axe X du modèle d’armature. L’éditeur d’équations intégré permet à l’équipe d’exposer les solutions de composant dans une notation mathématique naturelle et familière, accompagnée d’une vérification automatique des unités pour une meilleure exactitude. L’équipe peut se concentrer sur les expériences et l’analyse de la conception, plutôt que de s’éreinter à « programmer » des formules difficiles à lire et à communiquer.

L’architecture ouverte permet d’évaluer la contrainte maximale en tant que fonction de l’épaisseur du matériau. Récupérées d’un projet précédent, les valeurs de limite d’élasticité, de force de rupture et de densité des matériaux évalués ont été importées à partir d’une feuille Excel® dans une bibliothèque de documents propriétaires.

L’équipe d’ingénierie peut facilement intégrer ces informations au document du modèle d’armature utilisé pour effectuer l’analyse de compromis (cf. Figure E).

Figure E : Tableau PTC Mathcad montrant la limite d’élasticité, la force de rupture et la densité des différents matériaux.

Figure F : Graphique montrant l’analyse de compromis entre le PEHD et l’acier ASTM A36.

L’équipe diminue l’épaisseur pour chaque matériau, tout en préservant la limite d’élasticité, puis PTC Mathcad génère un graphique offrant une représentation visuelle du compromis entre le PEHD et l’acier ASTM A36 (cf. Figure F).

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L’équipe conclut que le PEHD est le matériau le mieux adapté, au vu des contraintes et des objectifs énoncés. L’enveloppe de conception est suffisamment spacieuse pour accepter une armature plus épaisse, ce qui répond également aux exigences de limite d’élasticité et de résistance à la traction. La masse résultante est égale à 37,5 % de la structure équivalente en acier A36, et le coût du PEHD est inférieur à celui de l’acier. Le processus d’analyse qui aboutit au choix du PEHD est automatiquement documenté, pas à pas, dans le document, et peut ainsi être facilement revu ou réutilisé par d’autres équipes sur d’autres projets.

L’équipe peut aussi choisir d’importer les cotes de l’armature et la géométrie de préhension directement depuis un modèle CAO (comme PTC Creo® Elements/Pro®) dans les documents, avec un « instantané » du modèle CAO (cf. Figure G). Toute modification du modèle peut être répercutée dynamiquement dans le modèle CAO.

Scénario 3 : Comparaison coûts/bénéfices pour la conception d’un pont

Un bureau d’études, qui a acquis des dizaines d’années d’expérience dans la construction de ponts, est chargé de déterminer le meilleur rapport coûts/bénéfices parmi trois types de procédé : cantilever, suspendu ou flottant.

Cette étude de conception implique un grand nombre de variables, notamment la quantité de trafic, les différents écartements, le coût de la maintenance, etc. L’expérience montre que les ingénieurs en charge du projet doivent prévoir les exigences de sécurité pour obtenir les autorisations du ministère des Transports.

Heureusement, les ingénieurs ne doivent pas partir de zéro pour réaliser les études de conception et les analyses de compromis. Ils peuvent accéder à leur bibliothèque de documents archivés provenant de projets antérieurs. Pour les aider à trouver plus rapidement la meilleure conception, le logiciel permet aux ingénieurs de suivre une approche proposée par le management pour approbation ou correction beaucoup plus tôt dans le processus de conception.

L’équipe commence par sélectionner l’étude de conception antérieure qui présente le plus de similitudes avec le projet actuel. Le choix du document le plus adapté est facilité par la notation mathématique naturelle utilisée pour écrire les calculs. Les hypothèses de base émises pour l’étude précédente sont documentées sur la même feuille et accompagnées de graphiques et d’autres représentations visuelles de paramètres.

Figure G : Instantané de modèle CAO pour une armature robotisée mobile.

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L’interface intuitive à tableau blanc et l’éditeur d’équations intégré permettent à l’équipe de modifier rapidement le document pour l’adapter au projet actuel. Grâce à plus de 600 fonctions mathématiques à sa disposition et aux bibliothèques d’équations standard, l’équipe peut itérer rapidement différentes possibilités de composants détaillés. Les modifications apportées au document entraînent la mise à jour en temps réel des résultats (éléments visuels y compris). En outre, toute modification effectuée est validée avec la vérification dynamique

des unités pour réduire les erreurs. Des annotations peuvent être facilement ajoutées aux calculs afin de documenter les hypothèses et les faits essentiels, et de montrer comment les ingénieurs sont arrivés à ces résultats, avec quels paramètres et selon quel raisonnement.

Comme il suffit d’utiliser PTC Mathcad pour générer automatiquement la documentation, les ingénieurs n’ont pas besoin de créer un rapport séparé, destiné au management et répétant les détails du document d’origine et de ses modifications. Le management peut être assuré que le nécessaire a été fait.

En résumé

Appliquées en tant que bonnes pratiques au début du processus de développement de produits, les études de conception et les analyses de compromis permettent aux ingénieurs d’aligner plus précisément les décisions de conception sur les exigences. PTC Mathcad offre les fonctionnalités indispensables pour tirer tous les avantages de ces bonnes pratiques, avec efficacité et assurance.

Figure H : Répertoire de documents PTC Mathcad archivés utilisés dans des études de conception et des analyses de compromis.

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Phase de bonne pratique des études de conception et des analyses de compromis

Fonctionnalités PTC Mathcad prenant en charge les études de conception et les analyses de compromis

Implémenter rapidement un modèle mathématique de la conception

•L’interface intuitive à tableau blanc, basée sur les tâches, améliore l’utilisabilité et permet de maîtriser rapidement et aisément les fonctions et fonctionnalités moins connues.

•L’éditeur d’équations WYSIWYG permet d’écrire les contraintes et les solutions des problèmes en notation mathématique naturelle, sans connaissance requise en programmation.

•La boîte à outils inclut plus de 600 fonctions prêtes à l’emploi pour résoudre n’importe quel problème de calcul.

•La prise en charge complète des unités dans tous les calculs entraîne un nombre réduit d’erreurs, des résultats d’une plus grande exactitude et une communication plus précise entre les ingénieurs et les équipes.

Utiliser ce modèle pour essayer différentes options rapidement et efficacement

•L’environnement de calcul interactif permet de créer rapidement et facilement des calculs à des fins de test, avant de les appliquer à la conception.

•Les fonctions de plan d’expériences aident les utilisateurs à comprendre les différentes interactions qui influencent une expérience avec plusieurs variables et niveaux, et fournissent des modèles pour un petit nombre d’expériences plus poussées.

•L’intégration à d’autres produits (comme les applications CAO) améliore la productivité, l’efficacité du processus et la collaboration entre les personnes et les groupes.

Passer en revue et évaluer plusieurs scénarios de simulation prévisionnelle avec l’équipe au niveau mondial et transmettre au management pour approbation

•La notation standard et l’affichage intégré du texte et des graphiques produisent automatiquement des documents lisibles et compréhensibles par tous les niveaux du management et par des équipes multiculturelles et diversifiées.

•Le calcul interactif facilite la communication des scénarios de simulation prévisionnelle dans les équipes, grâce aux annotations textuelles et aux représentations graphiques.

•Les documents archivés partagés facilitent la capture et la réutilisation des connaissances par les équipes, ce qui permet de mieux contrôler les erreurs et favorise les bonnes pratiques de calcul technique.

En permettant de mettre en œuvre ces bonnes pratiques de l’étude de conception et de l’analyse de compromis, Mathcad aide le Bureau d’études à contribuer aux objectifs de l’entreprise à un niveau supérieur :

•Délai de mise sur le marché plus court avec moins de risques

•Créativité de l’ingénierie favorisée par l’exploration rapide d’un plus grand nombre de conceptions

•Conceptions de produits optimisées permettant d’atteindre les performances réelles souhaitées

•Diminution des coûts relatifs au produit, à la garantie et au développement

Pour en savoir plus, consultez la page PTC.com/products/mathcad.

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