Une autre approche de la formation en simulation mécanique pour la conceptionA new approach of mechanical simulation training in industrial design

Mécanique & Industries 3 (2002) 137–145

Une autre approche de la formation en simulation mécaniquepour la conception

A new approach of mechanical simulation training in industrial design

Franck Pourroya,∗, Nadège Troussierb

a Laboratoire 3S, BP 53, 38041 Grenoble cedex 9, Franceb Laboratoire CQP2, BP 60319, 60206 Compiègne cedex, France

Reçu le 15 novembre 2001; accepté le 7 décembre 2001

Résumé

Dans un contexte industriel où la simulation du comportement des produits est devenue incontournable, il se pose la question desconnaissances nécessaires à la réalisation de ces simulations et des connaissances à transmettre dans le cadre de la formation initiale etde la formation continue à la simulation de comportement. La démarche actuelle est de dissocier les méthodes et les champs d’application dela simulation de comportement (en terme de physique) afin de les appréhender une à une. L’article proposé pose la question des connaissancesnécessaires à la réalisation de la simulation dans un contexte de conception et vise à apporter un point de vue global, complémentaire de ladémarche actuelle. Une partie introductive souligne l’importance de la simulation dans la conception de produits techniques et présente laproblématique associée à son enseignement. Une approche est ensuite présentée pour couvrir l’ensemble du processus de réalisation d’unesimulation et pour structurer ce processus afin de mieux pouvoir l’enseigner. Cette approche s’appuie sur des travaux de recherche dédiésà la traçabilité et à la capitalisation des connaissances générées lors de la simulation mécanique du comportement de produit. Différentesexpériences de formations basées sur cette approche globale ont été réalisées et de premiers retours d’expérience sont présentés et ouvrentsur quelques perspectives. 2002 Éditions scientifiques et médicales Elsevier SAS. All rights reserved.

Abstract

In an industrial context where the simulation of the products behavior has become impossible to circumvent, it rises the question of theknowledge necessary to the realization of these simulations and of the knowledge to be transmitted within the framework of the initialtraining and the adult continuing education to the simulation of product behavior. The current training dissociates the methods and the fieldsof application of the simulation of the behavior (in term of physics) in order to apprehend them one by one. This paper deals with the questionof the knowledge necessary to the achievement of simulation in a design context and aims at bringing a global and complementary point ofview to the classical approach. The first part stresses the importance of the simulation in the design of technical products and presents theproblems associated with its teaching. An approach is then presented to cover the entire process of simulation and to structure this processin order to improve the ability to teach it. This approach is based on some research dedicated to the traceability and the capitalization ofthe knowledge generated by the mechanical simulation of the product behavior. Various experiences concerning the training based on thisglobal solution were carried out and feedback on first experiences are presented and open up some prospects. 2002 Éditions scientifiqueset médicales Elsevier SAS. All rights reserved.

Mots-clés : Simulation mécanique ; Formation ; Calcul de structures ; Connaissances ; Conception intégrée

Keywords: Mechanical simulation; Training; Structural mechanics; Knowledge; Integrated design

* Correspondance et tirés à part.Adresses e-mail : [email protected] (F. Pourroy),

[email protected] (N. Troussier).

1. Introduction

La compétitivité des entreprises industrielles passe au-jourd’hui de façon très claire par la maîtrise des outils etdes techniques de simulation numérique. En effet, la simu-

1296-2139/02/$ – see front matter 2002 Éditions scientifiques et médicales Elsevier SAS. All rights reserved.PII: S1296-2139(02 )01150-8

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lation participe aussi bien à garantir la qualité des produitsmis sur le marché qu’à la diminution des coûts et au raccour-cissement des cycles de développement. Elle permet notam-ment de limiter les retours arrière de conception, d’identifierplus rapidement les facteurs bloquants et d’améliorer la per-tinence des quelques prototypes physiques strictement né-cessaires.

Depuis leur apparition dans les entreprises (dans les an-nées 50 pour les techniques par éléments finis), les outilset les méthodes de simulation de comportement se sontmontrées d’un maniement relativement complexe qui enont fait le domaine réservé d’un nombre réduit de spécia-listes. Il en résulte un cloisonnement très marqué, aussibien au niveau des disciplines physiques adressées (résis-tance des matériaux, mécanismes, mécanique des fluides,électromagnétique. . .) qu’au niveau des catégories d’acteursde la conception (les spécialistes de simulation sont des ac-teurs particuliers). Ce cloisonnement apparaît aujourd’huitrès néfaste pour l’efficacité du processus de conception dansla mesure ou il s’oppose à tout principe d’ingénierie concou-rante ou de conception intégrée.

Au cours des vingt dernières années, de nombreux tra-vaux de recherche ont été réalisés dans le but d’automatiserdes processus de simulation de comportement. L’objectif re-cherché était de permettre à tout acteur non spécialiste demobiliser des outils de simulation afin d’obtenir, au plus vite,et avec les meilleures chances de succès, des résultats quali-fiant le comportement du produit développé. Ces recherchesont donné quelques résultats, mais pour des applications trèsparticulières, et au prix de gros efforts de développement etde mise en œuvre.

Aujourd’hui, le problème du décloisonnement ou de l’in-tégration de la simulation dans la conception apparaît da-vantage comme un compromis entre la connaissance exclu-sive du spécialiste et l’automatisation complète d’un outil.Il s’agit évidemment d’améliorer les outils de simulation parl’introduction de quelques fonctions automatisées (mailleursauto-adaptatifs, pilotage automatique des méthodes numé-riques de résolution, intégration de « fonctions métier ». . .),mais il s’agit aussi de donner aux non spécialistes la cultureet les connaissances nécessaires à la mise en œuvre d’un pro-cessus de simulation de comportement. Le problème de laformation des acteurs de la conception occupe alors une po-sition tout à fait centrale dans le dispositif et les avancéestechnologiques laissent entrevoir d’importantes évolutionsau cours de ces prochaines années [1]. Ce problème s’ar-ticule alors autour de deux aspects : la formalisation du pro-cessus de simulation (de la construction du problème de si-mulation à partir du problème de conception à la conclu-sion de la simulation pour la conception), et l’existenced’exemples sur lesquels l’analyste va pouvoir s’appuyerpour concevoir de nouvelles simulations.

L’approche présentée se positionne dans le cadre dumodèle du praticien réflexif proposé par Schön [2] et faitl’hypothèse que les connaissances s’établissent lorsqu’il y a

réflexion dans l’action. Ceci suppose que l’étudiant1 est misdans une situation active où il va trouver tous les éléments luipermettant de réaliser des simulations et l’incitant à réfléchirsur sa propre action. Les éléments nécessaires à la réalisationdes simulations sont :

• un répertoire de cas dont l’étudiant dispose (ou qui luiest suggéré pour qu’il se l’approprie),

• une pratique de construction du problème de simulationà partir du problème de conception,

• la connaissance des différentes méthodes de simulation(ou de résolution du problème de simulation) dont ilpeut disposer.

La formation actuelle est assez focalisée vers le premieret le dernier de ces éléments. Le second est souvent abordémais reste difficile à enseigner de façon méthodologique.

La communication proposée relate des expériences deformation qui se sont déroulées sur la base d’une méthodeet d’un outil (SG3C) développés à des fins de traçabilité, decapitalisation et de formation à la simulation de comporte-ment dans le cadre des processus de conception industriels.Elle présente donc le positionnement théorique et les hypo-thèses de fonctionnement qu’elle nécessite, la structurationde la démarche de calcul qui supporte la démarche de for-mation et l’approche retenue pour accéder aux différentesétapes de la structuration. Ensuite, un retour d’expérienceest proposé par rapport à deux types de formation avant deconclure avec quelques perspectives.

2. Mieux structurer pour mieux enseigner

En se basant sur le modèle de Schön [2], on peut distin-guer trois éléments importants pour la pratique profession-nelle :

• le répertoire de cas dont dispose le praticien : cerépertoire de cas constitue une référence à partir delaquelle le praticien va chercher à trouver des similaritéspour appréhender un nouveau problème ;

• la formulation du problème de simulation : cette formu-lation consiste à définir le problème de simulation defaçon à le rendre traitable par les méthodes de résolu-tion connues et dépend à la fois du répertoire de cas etde la connaissance des méthodes de résolution qui vontpouvoir être associées à ce problème. Cette formulationimplique de réaliser un grand nombre d’hypothèses quidoivent être maîtrisées pour pouvoir analyser les résul-tats fournis après résolution de la simulation ;

1 Le terme étudiant est à prendre au sens général d’une personne qui suitun enseignement, qu’il s’agisse d’un cursus universitaire ou de formationcontinue.

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• la connaissance des méthodes de résolution de problèmequi vont pouvoir être mises en œuvre pour obtenir desrésultats à partir du problème formulé.

La définition de chacun de ces éléments est fortementconditionnée par la maîtrise des autres éléments. L’élémentle plus indépendant est la connaissance des méthodes derésolution qui consiste à dérouler une stratégie de calcul àpartir d’un problème formulé pour obtenir des résultats. Ils’agit également de l’élément le plus facilement abordé dansles formations initiales comme dans les formations continues(dans le cas d’évolution des méthodes accessibles). A traversdes exercices ou exemples, voire des projets, il est possiblede transmettre quelques cas au cours de la formation. Ces casviennent initier la base de cas dans le cadre de la formationinitiale et viennent alimenter une base de cas existantedans le cadre de la formation continue. Cet élément n’estcependant que rarement mis au même niveau d’importanceque les méthodes de résolution dans la formation maisconstitue un élément d’une aussi grande importance dansla pratique. Le troisième élément qui est la formulation duproblème est bien souvent le moins bien formalisé et resteen conséquence particulièrement délicat à présenter dans lecadre de formations.

L’approche présentée vise à aborder et donner des notionsrelatives à ces trois éléments. Elle se base sur une struc-turation des informations manipulées par le calcul et pro-posée dans [3] comme support d’une méthodologie pour laformation, l’utilisation et la traçabilité du calcul mécaniqueen conception de produits. Cette structuration est basée surl’identification d’entités à différents niveaux. Nous explici-terons ici les entités qui sont associées à des étapes de lasimulation et visent à modéliser les démarches de simula-tion par le biais de différents enchaînements des six étapesproposées. Ces différentes étapes sont :

• le Modèle de Conception, contenant les informations deconception nécessaires à la simulation,

• le But de Simulation, traduisant les objectifs de lasimulation pour la conception et son contexte,

• le Modèle Physique, regroupant l’ensemble des hypo-thèses et la formulation d’un problème adapté à l’objec-tif de calcul,

• le Modèle de Simulation, regroupant l’ensemble deshypothèses et la formulation d’un problème adapté à lafois à l’objectif de calcul et aux techniques de résolutionde problèmes qui peuvent être utilisée pour obtenir desrésultats ; l’introduction des méthodes de résolution etle choix d’une de ces méthodes peut avoir une influencesur la physique que l’on peut traduire ; le Modèle deSimulation peut donc traduire une physique différentede celle du Modèle Physique et comporte en plus deshypothèses relatives à la méthode de résolution de lasimulation choisie,

• le Résultat, comportant l’ensemble des résultats obtenusau terme de la résolution,

• la Conclusion, construite en deux étapes : une premièreétape est l’estimation de la confiance que l’on peut avoirdans la démarche et les résultats de la simulation parrapport aux hypothèses formulées sur l’ensemble ducycle de simulation ; une deuxième étape, si la premièreest favorable, est l’interprétation des résultats de façon àapporter une réponse au But de Simulation.

Ces différentes étapes sont liées à la fois chronologique-ment, pour traduire la démarche de simulation, et à titre in-formationnel, pour traduire la dépendance entre les entités.Par exemple, une Conclusion vient généralement à la suited’un Résultat, mais est liée à la fois au Résultat et au But desimulation auquel on veut répondre et qui oriente (ou réfé-rence) l’interprétation. Cette structuration des informationsest décrite beaucoup plus en détails dans [3]. La formalisa-tion et la distinction de ces étapes permet alors de proposerdes formations à différents niveaux (Fig. 1).

Chacune de ces étapes est ensuite structurée plus précisé-ment au niveau de son contenu pour supporter leur construc-tion et la maîtrise des hypothèses qu’elles contiennent. Enparticulier, il est important de structurer fortement le ModèlePhysique afin de bien faire apparaître l’ensemble des hypo-thèses nécessaires au passage des informations de concep-tion à la formulation d’un problème directement exploitablepar les techniques de simulation dont on dispose. Formaliseret structurer le processus de simulation permet alors de gui-der tout au long de la réalisation de simulation de comporte-ment et de donner des bases méthodologiques nécessaires àla compréhension de ce qu’est une simulation de comporte-ment, de son potentiel. . . mais surtout de ses limites !

Dans le cadre de la formation, cette structuration desdonnées permet donc de bien identifier les différentes étapesde la simulation, et d’identifier ainsi un certain nombre detâches à effectuer par l’analyste au niveau de chaque étape.Il s’agit de l’amener à se poser « les bonnes questions aubon moment ». Un autre intérêt de cette structuration estla mise en évidence de certaines hypothèses parfois tropimplicites dans les processus de simulation. Enfin, les étapesde construction du But de simulation et de la Conclusionidentifient de façon très claire l’articulation du processusde simulation avec le processus général de conception danslequel cette simulation intervient. La simulation n’est plusvue comme un processus isolé et qui se suffit à lui-même.

3. Le cas d’école : support pour transmettre lesconnaissances

Afin de fournir un ensemble d’exemples de cycles de si-mulation pour initier ou orienter un répertoire de cas chezun étudiant, il est intéressant de pouvoir identifier des cyclesde calcul présentant un intérêt pour la démarche, les mo-dèles ou les méthodes de simulation qu’ils mettent en œuvre.Ces exemples peuvent être construits spécifiquement à desfins pédagogiques (créés de toute pièce ou extraits d’un pro-


Fig. 1. Différents niveaux pour la formation à la simulation en conception de produits techniques.

Fig. 1. Different levels of mechanical simulation training in engineering design.

cessus de simulation spécifique et remanié à des fins pé-dagogiques) ou peuvent être identifiés dans les processusde calcul menés par ailleurs. Dans ce second cas, il peutêtre intéressant soit d’isoler le cycle de simulation concernéde l’ensemble du processus de simulation qui lui a donnénaissance, soit de montrer dans quelle mesure la simula-tion concernée peut être plus ou moins liée au contexte danslequel elle apparaît. Ceci renvoie alors au concept de Casd’école proposé par [4] et complété par [3]. Ce concept per-met d’identifier et tracer des cycles de calcul qui contien-nent des informations jugées d’un intérêt plus général quecelui du seul exemple qu’elles adressent. Dans le cadre géné-ral de la conception, ces cycles de calcul peuvent aussi bienrépondre à un problème de conception (choix ou validationd’une solution technologique, d’un matériau. . .) qu’à un pro-blème typique d’analyse (choix ou validation d’un modèle,d’un algorithme, d’une démarche de résolution. . .). Comptetenu des objectifs annoncés dans cet article, trois types deCas d’école répondant à un problème d’analyse vont prin-cipalement nous intéresser : les Cas d’école Simulation, lesCas d’école Modélisation et les Cas d’école Méthodologie.Des exemples de ces différents Cas d’école sont proposésFig. 2 et vont être brièvement décrits.

Le Cas d’école « Simulation » est le vecteur d’un savoir-faire relatif à l’élaboration d’un Modèle de Simulation. Dansl’exemple de la Fig. 2 (1ère colonne) l’analyste s’intéresse àl’influence de la carte de tailles des éléments d’un maillageEF sur la qualité et les temps d’obtention du résultat,dans le cas d’une plaque carrée en flexion-cisaillement. Ils’agit bien d’un problème d’analyse qui ne concerne pasparticulièrement le concepteur. Le contexte et les objectifsprécis de ce cycle sont décrits dans le But de simulation(non représenté sur la figure). Aucune généralité n’est tiréedans la conclusion et la connaissance générée (temps desimulation et précision du résultat) concerne en premier lieul’exemple traité. Cependant, la question du choix d’une cartede taille efficace est un problème récurant en simulationnumérique et ce cycle qui fournit des résultats quantitatifssur un exemple donné peut servir de support au choix d’unecarte de taille pour une pièce ou une structure différente, etpar un autre analyste. La structuration et le contenu du Casd’école en facilitent l’appropriation par le nouvel analyste.Celui-ci doit évaluer le niveau de corrélation entre sonproblème et celui traité par le Cas d’école. Cette évaluationlui permet de définir le mode pertinent de réutilisation de laconnaissance véhiculée par le Cas d’école. Ce type de Casd’école se traduit généralement par plusieurs Modèles de


Fig. 2. Les différents types de Cas d’école utilisés pour la formation à la simulation de comportement.

Fig. 2. Three different kinds of instructional cases, useful for mechanical simulation training.

Simulation en parallèle qui pointent sur un Modèle Physiqueunique.

Le Cas d’école « Modélisation » (seconde colonne de laFig. 2) traduit un savoir-faire lié à la construction du ModèlePhysique et présente souvent une structure dans laquelle plu-sieurs Modèles Physiques en parallèle pointent sur un mêmeBut de Simulation. L’exemple proposé concerne l’étude de larigidité d’un cadre support de machine. Le cadre est réalisépar un assemblage de tôles embouties, puis serties. Le Casd’école vise à déterminer un Modèle Physique simple maisreprésentatif de la rigidité de l’assemblage. Il porte sur unélément simple du cadre (un montant rectiligne), ce qui pré-sente le double avantage de simplifier l’étude en cours et derendre les résultats obtenus assez généraux pour pouvoir êtreréutilisés dans d’autre situations. Deux solutions de modéli-sation sont comparées du point de vue des résultats fourniset une conclusion est dressée sur le choix de modèle adaptéà l’exemple traité. Là encore, les objectifs et le contexte del’étude sont soigneusement consignés dans la description duCas d’école, afin d’en assurer une réutilisation cohérente parun autre analyste, ou quelques mois plus tard par le mêmeacteur.

Le cas d’école « Méthode » représente une démarched’imbrication de différentes simulations pour résoudre unecatégorie de problème donnée. Au niveau de sa structure, ilse traduit par un parallélisme d’entités qui peut intervenir dès

le But de Simulation, les différents buts étant rattachés à larésolution d’un problème commun. Cette structure permetpar exemple de faire apparaître que pour un problème dedimensionnement d’une structure élancée en compression(défini dans l’entité BS, 3èmecolonne de la Fig. 2), l’analystea mené « en parallèle » une étude de détermination descontraintes de compression (définie dans BS1) et une étuded’instabilité de flambage (définie dans BS2). En phase deréutilisation, ce Cas d’école peut amener le nouvel acteurà réaliser la même décomposition, pour peu qu’il jugecomparables le problème traité par le Cas d’école et celuiqu’il doit résoudre.

4. Définition d’un outil support

La structuration d’un processus de simulation telle qu’ellea été présentée au paragraphe 2 autorise la mise en placed’une démarche de travail. Elle permet également d’envisa-ger le stockage des différentes étapes relatives à une simula-tion dans un système informatique. Une maquette de ce sys-tème a été réalisée autour d’une base de données à laquellepeuvent accéder simultanément les différents utilisateurs autravers d’une interface WEB.

La Fig. 3 représente un écran de cet outil support. Il faitsuite à une recherche par mots clés dans la base des cas


Fig. 3. Un écran de l’outil support à l’approche proposée.

Fig. 3. A screenshot from the supporting tool of the proposed method.

d’école. La liste des cas proposés par le système apparaîtsur la partie gauche de l’écran. La partie centrale affichela structure du processus de simulation mis en œuvre pourle cas sélectionné. Par des liens hypertextes, il est possibled’accéder à des informations plus détaillées, comme cettecarte de contraintes issue d’une entité Résultat.

Le dispositif permet non seulement une traçabilité desprocessus de simulation, au fur et à mesure de leur déroule-ment, mais aussi leur mise à disposition des autres acteurs del’entreprise. Au sein des multiples cycles de simulation in-troduits dans le système, les plus pertinents du point de vuede leur niveau de réutilisation sont identifiés par les spécia-listes de la simulation en tant que Cas d’école et documentésen conséquence.

L’intérêt d’un tel outil du point de vue de la formationaux techniques de simulation de comportement réside àla fois dans la démarche structurée qu’il impose, dansla mise à disposition des cas d’école et dans la pratiqueréflexive qu’il autorise. La démarche structurée offre au non

spécialiste un canevas pour la conduite de son étude, cequi lui permet de découpler les problèmes et de les traiter,de façon aussi exhaustive que possible, au fur et à mesurequ’ils se présentent réellement. L’étude est ainsi davantageprésentée comme une succession de problèmes élémentairesqui en facilite l’approche. L’étudiant saisit plus rapidementles véritables enjeux de chaque problème et évite ainsicertains pièges qui conduisent parfois à décaler le problème.

Les Cas d’école mis à disposition par l’outil sont présen-tés sous une forme standardisée qui en facilite l’appropria-tion. Les connaissances se construisent dans le rapport quese crée l’étudiant au cas d’école qu’il étudie [5]. Différentsoutils de recherche et de navigation dans la base facilitent larecherche et l’accès à un Cas d’école pertinent pour la situa-tion problématique rencontrée.

Pour finir avec la présentation de l’outil, il faut souli-gner l’intérêt qu’il représente dans le cadre d’une pratiqueréflexive. L’étudiant qui conduit son processus de simula-tion, comme le formateur, peuvent à tout moment revenir


sur le travail réalisé et consulter la démarche, les modèles,les conclusions et les décisions. Ils peuvent ainsi plus facile-ment les remettre en cause de façon constructive.

5. Premiers retours d’expérience en formation

L’approche évoquée dans la première partie de cet articleest destinée à proposer un point de vue global et structurésur l’utilisation de la simulation en conception. Elle a étémise en place dans le cadre de différentes expériences deformation qui sont maintenant présentées avec une analysedes premiers résultats.

5.1. Cours théorique d’école d’ingénieur et de DEA

Cette approche globale du problème a été à l’origine del’ouverture d’un nouveau cours, commun à la troisième an-née de l’École Nationale Supérieure d’Hydraulique et deMécanique de Grenoble (ENSHMG) et à l’option concep-tion du DEA Mécanique, Conception, Géomécanique, Ma-tériaux (soit un total de 25 à 30 étudiants). Ce cours de 24H,intitulé «Analyse mécanique pour la conception » est des-tiné à combler un vide dans ces formations, identifié au ni-veau de l’articulation entre le processus de conception et lesdémarches de simulation, au niveau des méthodologies demise en œuvre de la simulation de comportement. Arrivés àce stade de leur formation, les étudiants ont suivi des coursclassiques relatifs à la simulation de comportement : méca-nique générale, mécanique des milieux continus, RDM, cal-cul de structures. Ils ont aussi été confrontés à des situationsde conception dans le cadre de stages, de projets ou d’acti-vités de bureau d’étude. Ils ont donc une certaine connais-sance des problèmes rencontrés en conception de produits.Du point de vue simulation, ils sont théoriquement capablesde travailler sur le premier niveau de la Fig. 1, c’est à direle passage d’un modèle physique donné à un modèle de si-mulation, puis à l’obtention de résultats. Ils maîtrisent lesaspects théoriques de ce premiers niveau et ont aussi une pe-tite expérience pratique (TP, projet).

Le cours consiste à introduire successivement les dif-férents niveaux exposés sur la Fig. 1, en proposant tour-à-tour des séquences d’enseignement sur la modélisation,sur l’évaluation des résultats, sur la formulation du besoin(but de simulation) et sur l’interprétation du résultat rela-tivement au besoin, pour arriver finalement au niveau leplus global sur la mise en œuvre d’analyses en conceptionet sur leurs limites. Certaines séquences sont relativementbien formalisées comme celle sur les échanges de donnéesentre logiciels, ou celle sur les outils d’aide à la concep-tion (analyses de sensibilités, optimisation topologique etdimensionnelle. . .). Ces séquences font l’objet d’une ap-proche classique sous forme d’apports de principes théoriqu-es, illustrés ensuite par des exemples. Mais une grande par-tie de la problématique adressée par les autres séquences estdifficile à formaliser et ne peut être approchée sous cette

forme. C’est le cas par exemple de la partie sur l’analysedes résultats pour laquelle seuls quelques principes très gé-néraux peuvent être dégagés, et qui nécessite donc un autretype d’approche pour aller plus loin.

Dans la forme actuelle du cours, ces séquences sont abor-dées à partir d’études de cas issues pour la plupart de colla-borations industrielles ou de projets d’étudiants. Des situa-tions réelles de simulation en conception sont présentées :description du contexte, problème abordé, simulations misesen œuvre, résultats sur le processus de conception, puis uneanalyse critique est réalisée de façon interactive avec les étu-diants. Il s’agit d’essayer de mettre en évidence les différentsproblèmes rencontrés dans le processus, d’examiner les al-ternatives qui ont pu se présenter aux acteurs et d’expliquerles choix réalisés dans les différentes étapes de la simulation(on s’attache par exemple à montrer que le choix d’un Mo-dèle de Simulation n’est pas seulement basé sur des critèresscientifiques et techniques, mais aussi assez largement surdes considérations économiques, stratégiques ou sociales).L’implication et la participation active des étudiants est icitrès souhaitable. C’est par la discussion et le questionnementmutuel des étudiants et de l’enseignant autour des cas étudiésque se construit en partie l’apport de ce cours. L’étudiant vas’approprier le cas étudié au fur et à mesure de la discussion,et alimenter ainsi, dans une certaine mesure, son propre ré-pertoire de cas (voir paragraphe 2).

Pour compléter cette approche, deux conférences d’in-dustriels viennent apporter des points de vue extérieurs surles différentes étapes du processus de conception/simulation.Les deux conférenciers sont des ingénieurs de grandes en-treprises avec lesquels nous avons des collaborations suiviessur nos travaux de recherche relatifs à ce sujet. Ceci assureune excellente adéquation de leur discours avec le contenuet les objectifs du cours. Il est à noter que ces conférencessont suivies quelques jours plus tard d’une séance de coursqui permet de reprendre et de discuter les idées clés dévelop-pées par les intervenants, pour éventuellement les compléterou les tempérer.

Après deux années de fonctionnement, le bilan est denotre point de vue très positif. Les étudiants sont trèsintéressés par cette problématique qui dépasse un peu lecadre strictement scientifique de leurs habituels cours decalcul de structures. Ils participent aux discussions saventse montrer parfois très critiques vis-à-vis de ce qui estdit. La taille du groupe, ici relativement réduite, est sansdoute un élément important pour le bon fonctionnement dece cours. Les difficultés rencontrées sont essentiellementdues à la lourdeur de mise en œuvre d’une étude de casqui demande beaucoup de temps de préparation, mais aussibeaucoup de temps en cours pour une bonne appropriationet une discussion intéressante et constructive. Une autredifficulté réside aussi dans l’évaluation des étudiants pourun enseignement de ce type. La forme actuelle qui consisteà présenter par écrit une étude critique d’une simulation(dans un contexte de conception) qu’ils ont eu à réaliserpar le passé (stage, projet, TP. . .) n’est pas toujours très


satisfaisante. En effet, la qualité de leur compte-rendudépend fortement du sujet choisi, et donc de leur expériencepassée.

5.2. Stage « calcul » d’un élève-ingénieur

Cette structuration du processus de simulation a aussi étémise en œuvre pour le suivi d’un stage orienté calcul d’unélève ingénieur de seconde année de l’ENSHMG. Dans lecadre de la conception d’un nouveau vérin pneumatique, ils’agissait pour l’étudiant de déterminer le comportement decertaines pièces en cas de surpression et d’estimer leur duréede vie à la fatigue.

La structuration a permis de définir une méthode detravail pour l’étudiant (sans expérience initiale en calculde structures), l’aidant ainsi à se focaliser successivementsur les différents problèmes et à se poser alors certainesquestions clés. La structuration a aussi été un outil précieuxpour suivre l’avancement du travail. Elle permet en effet,par l’analyse de l’enchaînement des différentes étapes, deretrouver le cheminement intellectuel de l’étudiant pourrésoudre le problème. Tuteur et étudiant ont alors lesmoyens de discuter de façon critique, à des niveau plus oumoins globaux selon le problème rencontré, pour valider ladémarche ou proposer des alternatives.

Outre les différents résultats qui concernent directementle vérin, le travail réalisé a aussi permis de dégager un Casd’école (voir paragraphe 3) très intéressant sur une méthodeplus générale de modélisation des contacts entre pièces.Les informations relatives à ce cas (contexte, objectifs,modèles, résultats, conclusions et démarche générale) ont étésoigneusement conservées dans une base de données dédiéeà cet usage (voir [6]).

Il est à noter que la méthode de structuration en diffé-rentes étapes et les liens mis en place pour décrire l’enchaî-nement de ces étapes a également constitué une base inté-ressante pour l’étudiant dans la rédaction de son rapport destage. Il est en effet plus facile alors de produire un docu-ment organisé et synthétique. La présentation orale lors dela soutenance de stage a elle aussi été bâtie sur ce modèle,facilitant ainsi la compréhension de l’étude par des tiercespersonnes.

5.3. Formation continue dans une grande entreprise

La dernière expérience évoquée ici concerne un stage deformation continue en entreprise. Le groupe de personnesconcernées (ingénieurs et techniciens) sont des « concep-teurs » qui utilisent couramment la CAO. Ils possèdent desbases très correctes de RDM et sont volontaires pour suivreun stage de formation/initiation au calcul de structures. L’ob-jectif est de leur permettre de réaliser par eux même cer-taines simulations les plus simples (statique linéaire ou ana-lyse modale) afin de leur donner une certaine indépendancedans le domaine.

La formation a été abordée selon un schéma assez prochede celui utilisé pour la formation initiale : des rappels de mé-canique des milieux continus, suivis d’une formation théo-rique rapide aux principes de la méthode des éléments finis.Viennent ensuite des aspects pratiques de prise en main d’unlogiciel et les premières simulations très cadrées (les étu-diants disposent d’un modèle physique prédéfini et doiventproduire un résultat mécanique bien déterminé). C’est aprèscette première partie un peu classique que sont abordés lesaspects liés à la méthodologie de mise en œuvre d’une simu-lation dans le cadre de la conception. Les différentes étapeset leur contenu type sont discutés avec le groupe. De nom-breux exemples viennent illustrer l’intérêt de cette approche.Il s’agit ici de montrer comment une approche un peu struc-turée permet de progresser dans le travail, tout en limitant lesrisques d’erreur. Les étudiants sont amenés à se construirequelques Cas d’école très simples qui viennent alimenterleur répertoire de cas personnel sur des erreurs classiquesà éviter. On montre aussi comment le découpage en diffé-rentes étapes et la description de leur enchaînement dans leprocessus de simulation est un support précieux pour unediscussion avec un ingénieur calcul de l’entreprise qui aurala charge de superviser le travail.

Après une première analyse de cette expérience, il ressortque les compléments méthodologiques apportés lors de cetteformation seraient beaucoup plus efficaces avec un outilinformatique support de la structuration des simulations.Les étudiants voient très vite l’intérêt de l’approche quileur est proposée. Ils ont cependant plus de difficultés àconceptualiser que les étudiants de formation initiale etun outil apporterait un support pratique sans doute trèsprécieux. D’autre part, la nécessité de donner des méthodesde travail apparaît très clairement. En effet, certains desstagiaires avaient eu l’occasion de suivre des journées deformation dispensées par un distributeur de logiciel desimulation. Ils avouaient ne jamais avoir mis cet acquisen pratique pour ne pas avoir su comment attaquer leurproblème une fois face à une situation réelle. Quelques moisaprès notre stage, la moitié des stagiaires formés dit avoirutilisé des outils de simulation numérique dans le cadre deson activité de conception.

6. Conclusions et perspectives

L’intérêt de développer des outils méthodologiques pourla mise en œuvre de simulations (calcul de structures,mécanismes. . .) nous paraît indéniable. Les difficultés àrésoudre sont très nombreuses. L’expérience évoquée icimontre comment le problème a été abordé : structuration enétapes, définition précise de ces étapes, liens pour traduirel’enchaînement de ces étapes et leurs interdépendances,concept de Cas d’école. Elle explique ensuite commentdes concepts ont été appliqués à différentes situationsde formation (cours en formation initiale, suivi de stage,formation continue en entreprise).


D’un point de vue très global, les résultats rencontrésnous encouragent à poursuivre dans la direction initiée. Lesétudiants de formation initiale reçoivent le message de fa-çon très positive. Ils se disent mieux armés et plus rapide-ment opérationnels grâce à ce point de vue un peu globalqu’ils acquièrent sur les processus de conception/simulation.Ceci resterait à confirmer sur le terrain, mais comment iden-tifier précisément le gain ? Les étudiants de formation conti-nue semblent mieux à même de mettre en pratique des tech-niques de simulation de comportement qui ne constituent pasleur compétence initiale.

L’approche par études de cas est très séduisante, aussibien pour le formateur que pour les étudiants. Les messagestransmis sont plus forts et elle augmente l’efficacité dutravail en favorisant la discussion et la participation dugroupe. Il ne faut cependant pas oublier certains obstacles,comme la difficulté de trouver des cas supports suffisammentciblés et bien documentés. Les études réalisées lors denos différentes collaborations industrielles sont ici trèsprécieuses. Une autre difficulté est la mise en forme ducas, qui représente toujours une opération très coûteuseen temps. Il faut compléter les informations à disposition,les mettre en forme. . . Le temps nécessaire en cours pours’approprier puis exploiter l’étude de cas peut lui aussi semontrer important. Il faut faire des choix préalables sur lesproblèmes à traiter, et donc des impasses sur certains sujets.

Au niveau de la structuration du processus qui resteaujourd’hui très grossière, il subsiste beaucoup de travailen amont pour formaliser davantage et contribuer à fairepasser des informations du domaine de l’implicite vers desdonnées plus explicites. L’avantage de cette proposition estde participer à mettre en place des schémas que les étudiantsviendront compléter au fur et à mesure de leur expériencefuture. Cela devrait leur faciliter la tâche en leur donnantune vision globale du processus qu’ils n’auront plus à se

construire par eux-mêmes. La globalisation du point de vueest aussi l’occasion de relativiser l’importance de certainestâches du processus qui pouvaient leur paraître capitales.

Enfin, il apparaît très clairement la nécessité d’un outilsupport pour la formation, comme pour l’utilisation. Nostravaux ont conduit à développer une maquette informa-tique d’un outil pour rationaliser l’usage des simulationsen conception. Cet outil peut être utilisé ou adapté pour uncontexte de formation. Outre la démarche de travail, l’utili-sation de cet outil permettrait de fournir un répertoire de casde simulation et favoriserait le positionnement de l’étudianten praticien réflexif.

Références

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Une autre approche de la formation en simulation mécanique pour la conceptionA new approach of mechanical simulation training in industrial design