Approche de conception et d’optimisation proposée

La Figure 5.1 présente globalement l’approche de conception et d’optimisation proposée dans le cadre de notre thèse. L’idée principale derrière de cette contribution est d’aider les concepteurs, d’un côté, à prendre des décisions durant le processus de conception, et d’un autre côté, à parvenir à une solution de produit optimale et performante dans un temps raisonnable. Cela en satisfaisant les objectifs et les contraintes du cahier des charges fonctionnel (CdCF), tout en atténuant la sollicitation intensive des experts. Le déroulement de cette approche au sein d’une équipe de conception se fait en deux temps. Premièrement, après avoir défini le cahier des charges fonctionnel, une bonne structuration du problème de conception est nécessaire pour une meilleure sélection et mise en œuvre des méthodes de conception classiques, tout en prenant en compte les contraintes du cycle de vie du produit et l’environnement extérieur. Pour cela, il faut formuler (ou adopter) un modèle analytique (ou un ensemble de modèles) du produit permettant d’évaluer rapidement son comportement et ses performances qui sont en relation avec le CdCF. Cela doit se faire tout en identifiant les éventuels paramètres de conception sur lesquels on peut agir (variables), les critères de performances à optimiser (fonctions objectifs), les limites à ne pas dépasser (contraintes d’égalité et d’inégalité). Grâce à des méthodes mathématiques d’optimisation multi-objectif et multidisciplinaire, les meilleures valeurs de pré-dimensionnement pour les variables de conception sont trouvées. Par la suite, autour des solutions optimales trouvées dans ce premier niveau, des métamodèles sont générés et validés en utilisant des modèles numériques fins. En effet, à l’aide de la méthode de plan d’expériences (DoE) et l’utilisation conjointe des outils informatiques de simulation et de calcul (CAD-CAE), on peut construire des métamodèles (modèles de substitution) à haute-fidélité. L’utilisation de ces dernières dans la phase de conception préliminaire peut fournir plusieurs avantages, à savoir l’enrichissement de la base de connaissances et l’abaissement du niveau d’abstraction de conception (Loch et al., 2011). Comme pour le premier niveau, des méthodes mathématiques d’optimisation multi-objectif et multidisciplinaire peuvent être appliquées, afin de trouver une ou plusieurs solutions de conception optimales qui seront, sans doute, meilleures comparativement à celles trouvées dans l’étape précédente. 

Rôle et responsabilité des acteurs de conception

Dans cette section, nous discutons le rôle et la responsabilité des différents acteurs qui peuvent intervenir pendant la mise en œuvre de l’approche de conception et d’optimisation proposée. Concepteur : souvent est un ingénieur, étant capable de choisir les caractéristiques d’un nouveau concept afin de répondre aux besoins et préférences du client. Il peut également proposer des méthodes appropriées pour évaluer les concepts en termes de qualité ou de performances. Le concepteur peut définir les objectifs préliminaires et les contraintes du produit à concevoir, et doit alors avoir un bon aperçu des exigences en termes de complexité et de préférences. Il est censé suivre l’évolution de ces exigences le long du processus de conception ainsi que leur exécution et validation.

Architecte produit 

c’est le sponsor de l’activité de développement des modèles de simulation associés, son rôle est considéré comme un facteur clé de l’organisation de la conception. Il définit les contraintes du temps, du coût et de paramètres décisionnels du projet de conception. L’architecte produit ayant une vision fonctionnelle sur le produit à concevoir. Il établit les spécifications du produit et décrit l’architecture (composants, sous-systèmes et leurs interfaces), qui permettent de répondre à ces spécifications. Il définit aussi le protocole opérationnel et fournit une version préliminaire de l’architecture du modèle produit à l’architecte modèle. Chapitre 5–Approche proposée 100 Architecte Modèle : son rôle permet d’exprimer au mieux les attentes de l’architecte produit en termes de spécifications de conception, et de négocier et dialoguer efficacement avec l’expert domaine (fournisseur modèle) afin d’obtenir les modèles de simulation adaptés à l’évaluation de performances désirées. Expert domaine : c’est un ingénieur qualifié et spécialiste de son domaine ou de sa discipline. Il lui est confié la mission de construire les modèles de simulation en s’appuyant sur ses connaissances. L’expert domaine, ayant une vue physique sur le produit à concevoir, doit connaitre le domaine dans lequel le nouveau concept sera développé. Il doit également être conscient des limitations et des contraintes auxquelles il peut être confrontées lors du développement du nouveau concept, par exemple les limitations des logiciels de conception et de calcul ainsi des outils matériels existants. Expert en optimisation : c’est un ingénieur capable de formuler le problème d’optimisation, de choisir la technique d’optimisation adéquate, d’exécuter le processus d’optimisation, d’analyser les résultats obtenus et d’en sélectionner les plus pertinentes, d’interpréter et de présenter ces résultats au concepteur afin de l’aider à la prise de décision. 5.2.2 Premier niveau : conception et optimisation basées sur le modèle analytique Dans ce niveau de conception et d’optimisation, nous proposons une amélioration de la démarche structurée et systématique de conception préliminaire, en se basant sur les travaux de thèse de Scaravetti (Scaravetti, 2004). Cette amélioration (Figure 5.2) s’établit par l’utilisation conjointe de certaines méthodes de conception (QFD, TRIZ, Design for X, FBS et CPM), qui sont considérées dans ce niveau comme des outils supports pour extraire les lois de comportements du produit nécessaires, formuler le modèle analytique associé qui va être utilisé dans l’étape de l’optimisation, et préparer aussi les premiers modèles géométriques et numériques du produit. Selon l’auteur l’activité de conception préliminaire s’appuie sur l’utilisation de certains outils et méthodes de conception qui peuvent aider les concepteurs à gérer cette activité et à prendre des décisions dans le processus de conception. Ainsi, la bonne mise en œuvre de ces méthodes sélectionnées dans la conception préliminaire permet aux concepteurs de travailler sur un modèle analytique simplifié au lieu d’un modèle plus complexe. Cette démarche proposée permet ainsi de structurer l’activité de conception préliminaire depuis l’émergence du concept jusqu’au choix d’une solution du produit à concevoir. Son Chapitre 5–Approche proposée 101 déroulement se fait en quatre phases interconnectées, chacune correspondant à un niveau d’analyse différent : analyse du besoin, analyse fonctionnelle, analyse organique et physique. Dans ce qui suit, nous allons discuter les étapes de cette démarche et le rôle de chaque méthode de conception sélectionnée.  Analyse du besoin : Dans la première étape de la conception, les concepteurs réalisent plusieurs tâches afin de traduire les informations linguistiques issues du cahier des charges marketing en exigences techniques. La méthode QFD est souvent utilisée pour exécuter cette activité, en reliant les besoins de l’utilisateur présentés sous forme de variables linguistiques, aux spécifications du produit sous forme d’objectifs et de performances. Dans ce niveau, cette méthode permet de présenter les corrélations entre les paramètres de conception. Ces corrélations peuvent permettre aux concepteurs d’extraire les paramètres de conception juste nécessaire pour effectuer l’étape de l’optimisation. Bien que cette méthode puisse couvrir plusieurs phases du processus de conception, elle présente quelques problèmes de subjectivité et de mise en œuvre dans certains types de conception (produits complexes). 

Approche fonctionnelle : Les approches

Design for X consistent à concevoir le produit en vue d’optimiser la propriété X, cette dernière peut désigner un attribut du produit (son coût, son impacts environnementaux), ou une phase de son cycle de vie, ces approches peuvent améliorer les fonctions ou les performances du produit, et comme peuvent également servir à la définition des contraintes métiers qui doivent être prises en considération. Ainsi, elles peuvent aider les concepteurs dans l’étape de la formulation du problème d’optimisation, de plus dans la sélection des solutions optimales dans le front de Pareto.  Approche organique : Dans cette étape, les concepteurs se concentrent sur la génération de concepts qui répondent aux spécifications du cahier des charges fonctionnel. À cet effet, l’approche FBS (Fonction-Comportement-Structure) permet aux concepteurs de transformer les fonctions en relations définissant le comportement du produit. Ce comportement est lié à la structure choisie comme solution technique. Cette approche peut être considérée comme un outil opérant pour formuler le modèle analytique du produit ou ses composants en suivant une décomposition hiérarchique.  Approche physique : La méthode CPM (Caracteristics-Properties-Modeling) s’appuie sur la distinction entre les caractéristiques du produit qui sont l’ensemble des informations de structure, forme, dimensions, de matériau, de géométrie que les Chapitre 5–Approche proposée 102 concepteurs peuvent modifier directement, et les propriétés qui sont l’ensemble d’objectifs et de performances sur lesquelles les concepteurs ont une action par l’intermédiaire de choix de caractéristiques. Les deux concepts sont reliés par des relations qui permettent de déduire le comportement du produit. Cette méthode peut aider les concepteurs à définir l’espace de conception en se basant sur les deux approches analyse et synthèse.