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WO2004049264A1 - Procede de conception d'une forme assistee par ordinateur. - Google Patents

Procede de conception d'une forme assistee par ordinateur. Download PDF

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Publication number
WO2004049264A1
WO2004049264A1 PCT/EP2003/012722 EP0312722W WO2004049264A1 WO 2004049264 A1 WO2004049264 A1 WO 2004049264A1 EP 0312722 W EP0312722 W EP 0312722W WO 2004049264 A1 WO2004049264 A1 WO 2004049264A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
shape
physical object
computer
elementary
envelope
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/EP2003/012722
Other languages
English (en)
Inventor
Frédéric JAYKO
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Priority to AU2003302174A priority Critical patent/AU2003302174A1/en
Priority to US10/535,883 priority patent/US20060167582A1/en
Priority to EP03811756A priority patent/EP1584071A1/fr
Publication of WO2004049264A1 publication Critical patent/WO2004049264A1/fr
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING OR CALCULATING; COUNTING
    • G06T—IMAGE DATA PROCESSING OR GENERATION, IN GENERAL
    • G06T17/00—Three dimensional [3D] modelling, e.g. data description of 3D objects
    • G06T17/20—Finite element generation, e.g. wire-frame surface description, tesselation
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING OR CALCULATING; COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F30/00—Computer-aided design [CAD]
    • G06F30/10—Geometric CAD
    • G06F30/15—Vehicle, aircraft or watercraft design
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING OR CALCULATING; COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F30/00—Computer-aided design [CAD]
    • G06F30/20—Design optimisation, verification or simulation
    • G06F30/23—Design optimisation, verification or simulation using finite element methods [FEM] or finite difference methods [FDM]
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING OR CALCULATING; COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F2111/00—Details relating to CAD techniques
    • G06F2111/20—Configuration CAD, e.g. designing by assembling or positioning modules selected from libraries of predesigned modules

Definitions

  • the subject of the present invention is a method of designing a computer-assisted shape, as well as the method of building a mechanical part having the shape thus designed.
  • the object of the invention is to make more efficient the construction of mechanical parts intended for use in more complete assemblies.
  • the invention relates to the design of spare parts, or sets of parts, which can be integrated into a more complex device.
  • a mechanical part studied by the invention also more generally called a physical object studied, will be a dashboard to be installed inside a car body.
  • the physical object will be a braking device, in particular with pneumatic assistance, to be installed in an engine compartment of a vehicle.
  • the object of the invention is to take into account all the considerations and the constraints intervening on the physical object studied and contributing to a modification of the space occupied by this physical object in the whole in which it is integrated.
  • the invention relates essentially to computer-aided design in which all of these operations can be simulated.
  • Part design software is known in the field of computer-aided design.
  • CATIA software produced by the company DASSAULT, France
  • IDEAS software produced by the company SDRC in the United States of America.
  • EUCLID UNIGRAPHICS
  • PRO ENGINEER Part design software is known in the field of computer-aided design.
  • All of this software has in common a faculty for producing digital information capable, on the one hand, of representing shapes of elaborate physical objects and of presenting images of these shapes on a screen of the computer-aided design device.
  • digital information capable, on the one hand, of representing shapes of elaborate physical objects and of presenting images of these shapes on a screen of the computer-aided design device.
  • elaborate physical objects with regard to this digital information, we can speak of the calculation of these forms.
  • drawing designation is equivalent to a drawing designation, insofar as the shapes of these physical objects are drawn, especially when their development goes hand in hand with a simultaneous presentation on the screen.
  • these softwares include command interfaces allowing the control of machine tools (most of the time multi-axis milling machines) capable of shaping the drawn parts, even a foundry mold of the drawn part.
  • machine tools most of the time multi-axis milling machines
  • These software allow, according to a database description of their own, to define the forms of the physical objects produced.
  • the shapes can be described in a vector manner, and more generally in the form of geometric analytical functions, and on the other hand in a point form, in the form of collections of point clouds. In both cases, the geometric places designated in space are assigned a property that of belonging or not to the physical object concerned.
  • a first type of study concerns the space occupied by the room at rest.
  • software includes intersection functions to develop a physical volume resulting from the intersection of the volume of the physical object produced and the volume of the environment in which this physical object is intended to be inserted. If the volume of the intersection is empty, the physical object can occupy the space assigned to it. Its shape is acceptable.
  • the problem can be complicated by the setting up operation which requires, from a space outside the environment to calculate a path by which the physical object can be set up in this environment. This positioning operation in fact amounts to carrying out the previous verification for a continuously variable set of positions in the space of the physical object until it has reached the place assigned to it in the device.
  • a second type of study concerns the study of the deformations intrinsically undergone by the physical object. These deformations under stress can be linked to changes in temperature, in pressure, in the submission of the physical object to efforts, even to electric fields, and in general to any external physical action tending to deform the elaborate physical object.
  • the computation of these deformations under stress is generally carried out by a method of computations by finite elements.
  • the physical object is thus virtually fragmented into a mesh of small geometric elements (for example tetrahedral or hexahedral elements, for example cubic) and stress tensors are applied to each of them so as to calculate the results of the object's deformations.
  • the form at rest developed by this envelope form is replaced, and the latter is compared to a space available in the reception device to know if it will always find its place there.
  • the shape of this reception device is replaced in the computer-aided design software by the envelope form of this device. reception (that is to say comprising the reception device at rest joined with the reception device having been subjected to constraints). By doing so we can easily verify that the project of realization of the physical object is acceptable.
  • the subject of the invention is therefore a method of designing a computer-assisted shape, characterized in that it comprises, with the computer, the following steps:
  • the invention also relates to a method of constructing a part designed according to the method of the invention.
  • FIG. 1 a schematic representation of a form calculated according to the method of the invention, with the various stages of calculation of the latter;
  • FIG. 2 a device capable of implementing the method of the invention.
  • Figure 1 shows the different stages of developing the shape of a physical object.
  • calculation of the shape of a physical object is essentially meant the editing, in particular in the form of a file, of information representative of this shape.
  • the shape of the physical object thus exists outside of any visualization of this shape.
  • a visualization of the shape has been shown, as in practice it will be shown on a screen of a computer-aided design device.
  • CAD computer-aided design device
  • step c) a form of an envelope of the size of this physical object in its various states of stress is developed.
  • a first operation consists in transcoding the form developed during step b) into a form 6 (of identical form) but expressed according to a different protocol, compatible with the design subroutine used during step a) .
  • the files representative of the deformed part, coming from the FEM software, of the .dat (data - data) type are transcoded into readable files and usable by the CAD software. We will see later how this transformation can be undertaken.
  • step c) a union 7, in the Boolean sense of the term, of the volume occupied by the form 6 (newly calculated) and the starting form 1 is calculated.
  • a union 7 in the Boolean sense of the term of the volume occupied by the form 6 (newly calculated) and the starting form 1 is calculated.
  • the envelope 7 previously calculated is compared to a shape 8 intended to accommodate the part 1 and providing a space available for this purpose.
  • the object of the invention is to verify that there is no point of contact 9 between this envelope 7 and the reception form 8.
  • FIG. 2 shows a device which can be used to implement the method of the invention .
  • This device comprises in a conventional manner a computer assembly provided with a central unit 10 connected by a bus 11 of address and data commands to a peripheral 12 serving as a man-machine interface (in practice a mouse) and to a display device 13 (a monitor).
  • the central unit 10 comprises a microprocessor 14 connected in particular by the bus 11 to a program memory 15 and to a data memory 16.
  • the program memory 15 essentially comprises a first program 17 making it possible to implement operation a) of the FIG. 1 for calculating a CAD file and a second program 18 allowing a calculation of the deformation of step b) of FIG. 1 in particular on the basis of finite element calculations of known forms.
  • an operator a natural person, is capable of constituting a form, that is to say data records 19 storable in memory 16.
  • the program 17 allows, with tools 20, in particular icons visible on an edge of the screen of the monitor 13, to select pre-established elementary shapes.
  • These pre-established elementary shapes can be points such as 21, segments 22 or 23, curved or straight, surfaces 24 or 25, here triangular or circular, or elementary volumes 26, 27, 28, respectively parallelepiped cylindrical or spherical, or still other forms.
  • the operator can come and place them by a movement 29 at a determined location 30 relative to a first part 31 of an already constituted physical object. Or, the elementary form is placed in place 30 if it is the first.
  • the computer-aided design software is such that previously developed physical forms can be reused for the design of a larger physical object. So on, gradually, the operator draws the physical object on the screen at the same time as the CAD software 17 constitutes the corresponding file 19.
  • Known software also presents various possibilities of extension by homothety, rotation and duplication etc. to facilitate the operator's work.
  • the records 19 are records representing volumes, that is to say spaces circumscribed by closed surfaces.
  • the records 19 and the software 17 allow the visualization of the physical object on the monitor 13. These records 19 can be given in vector form or in the form of point clouds.
  • a subroutine 32 for viewing the set 10 shows that a vector representation can include, for each element 33 of the physical object to be represented coordinates xO yO zO of a characteristic point (at place in place 30 on the object 31) as well as values ⁇ x ⁇ y ⁇ z of the expected extension of the elementary object 33.
  • the software needs a digital volume representing all the regions of the space in which the object is present, a list of points xi yi zi is calculated on the fly. If the graphics processor is not fast enough, we can consider storing these point clouds that define the object.
  • Each point xi yi zi is assigned a value, 1 or 0 for simplicity, meaning that the place designated in space belongs or does not belong to the volume of the physical object to be produced.
  • the points xi yi zi are such that with a step ⁇ they subscribe to the constraints xO ⁇ xi + ⁇ i ⁇ xO + ⁇ x, yO ⁇ yi + ⁇ i ⁇ yO + ⁇ y, zO ⁇ zi + ⁇ i ⁇ zO + ⁇ z.
  • Other file representations are possible. The present representation is indicated to simplify the explanation of the invention.
  • Each icon 21 to 28 of the man-machine interface is associated with an elementary executable program, this elementary executable program receiving as input parameter information and producing as an output for viewing, on the fly, or for memorization, a coordinate file. point cloud belonging to the elementary solid in the physical object.
  • the implementation of the deformation calculation program 18 by finite elements amounts to breaking up the object 33 into a mesh of finite elements of given shape.
  • the given form of finite elements is imposed by the FEM software.
  • the most common form is the tetrahedral element.
  • a mesh with tetrahedral elements has the advantage of being automatic. All shapes can be meshed automatically with tetrahedra.
  • the most practical representation of the finite elements is a hexahedral representation of the object 33.
  • the program 18 is therefore implemented and allows the deviations 4 to be worked out in a known manner. While the software 18 proposes a form, the expression of this form is not in a format compatible with the CAD software. Typically, the FEM software 18 builds files whose records correspond to the locations of the nodes of the finite elements (four nodes in the case of a tetrahedral element) and to displacements of the nodes of each of these finite elements. To then draw with the CAD software the shape of the deformed object, from these locations and these displacements, we use in the invention the elements of the deformed structure.
  • step b we will create an elementary volume, according to CAD software, for each of the finite elements of the deformed shape of the part. .
  • CAD software we will calculate in CAD as many elementary volumes as there are finite elements having been deformed by the constraint. Then, according to a technique already available with the CAD software, we will merge all the elementary CAD volumes so as to produce a volume 6 in CAD of the deformed part. The deformed elementary volumes are thus agglomerated.
  • Each of the elementary volumes can be produced using the elementary forms from the bank 20 of elementary forms. And they are then put in place with respect to each other like the object 33 with respect to the object 31. In practice this positioning is automatic since, each finite element having been deducted automatically from the part 2, the automatic reverse transformation is possible.
  • FIG. 1 given in the software protocol 17.
  • the elementary subroutine which can be incorporated into the CAD software, is then made to read progressively, the file of finite elements deformed from the surface of the object.
  • This reading should preferably be progressive since transcoding occupies a lot of RAM memory of the drawing processor.
  • the volume V2 of the deformed part is measured and compared with the volume V1 of the part at rest.
  • Known CAD software includes subroutines capable of these volume calculations. It is then used that, despite the constraints, the part which is made of a non-compressible material must maintain an unchanged volume. If the comparison of the volumes reveals a too large difference, for example greater than 10%, it can be deduced therefrom that the reconstruction was improper, or more simply, that the calculation by finite elements took into account finite elements of inadequate sizes, and that it must be taken up with different, smaller finite element sizes.
  • the software 15 includes, in a known manner, the faculties of achieving boolean unions or intersections of volumes.
  • the joining of the elementary form 33 to the form 31 was equivalent to a union.
  • the meeting recording 35 corresponding to the meeting of form 1 (file 19) with form 6 (file 34), will include the redundant vector designations. In this case, only one of them is taken into account for the calculation of the envelope. It will also include additional vector designations and in this case they are all taken into consideration.
  • the representative shape of the envelope will be represented by a larger collection of vector designations, or otherwise by a larger collection of points in the cloud.
  • the totality of the points of this object we can be satisfied with the consideration of the calculation of the external surfaces of the physical object and external surfaces in the shape of the deformed shape of this physical object.
  • Such simplifications are already available in existing software because these software allow to represent views of objects (rather than sections of these objects). Indeed, the sections of the objects include sets of lines showing the contours and the edges of the physical objects to be produced. In some cases, however, the drawings of these contours are not necessary and only an external appearance is useful.
  • a physical starting object for example a brake caliper of given size
  • it is subjected to the operations a), b), c) and d), and if the comparison of the step d) is favorable, at least one of the dimensions of this object is increased (for example the dimension ⁇ y of the object 33) and the iterations a), b), c) and d) are repeated to verify that the comparison is always favorable.
  • This is done by iteration to better define the shape of the physical object. It will be noted from this point of view that a larger physical object can undergo lesser deformations and therefore that the increase in its size does not necessarily go with the increase in deformation 4 which results therefrom.
  • Another way of seeing the problem consists in modifying the force of the effort 3, or in general the effect of the stress to which is subject to study. For example, we will study its expansion to a certain temperature, or to a certain other temperature, and so on. With the invention, we are then able to know the threshold of the constraint beyond which the functionality of the part is no longer acceptable. It is thus possible by modifying the shape and by studying the effects of the constraints to produce parts that better meet the prescriptions and specifications of the manufacturers.
  • the invention applies to the construction of parts designed according to the method described above in particular for the automotive or aviation field.

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Abstract

Pour résoudre un problème de fonctionnalité de pièces fabriquées avec un outil de conception assistée par ordinateur, on prévoit de transcoder une forme (2) de la pièce élaborée par un calcul par éléments finis, pour la rendre compatible (6) avec un logiciel de conception assistée par ordinateur. On réalise ensuite par une réunion booléenne une enveloppe de la forme de la pièce et de la forme déformée de cette pièce. On compare cette forme booléenne de réunion ô un espace (8) disponible censé accueillir la pièce. On déclare la pièce acceptable si cette comparaison est satisfaisante.

Description

Procédé de conception d'une forme assistée par ordinateur.
La présente invention a pour objet un procédé de conception d'une forme assistée par ordinateur, ainsi que le procédé de construction d'une pièce mécanique ayant la forme ainsi conçue. Le but de l'invention est de rendre plus efficace la construction des pièces mécaniques destinées à être utilisées dans des ensembles plus complets. Notamment, l'invention vise la conception de pièces détachées, ou d'ensembles de pièces, intégrables dans un dispositif plus complexe. Dans un exemple, une pièce mécanique étudiée par l'invention, dite aussi plus généralement un objet physique étudié, sera un tableau de bord à mettre en place à l'intérieur d'une carrosserie de voiture. Ou encore, l'objet physique sera un dispositif de freinage, notamment à assistance pneumatique, à mettre en place dans un compartiment moteur d'un véhicule. Le but de l'invention est de prendre en compte toutes les considérations et les contraintes intervenant sur l'objet physique étudié et contribuant à une modification de l'encombrement occupé par cet objet physique dans l'ensemble auquel il est intégré. L'invention vise essentiellement la conception assistée par ordinateur dans laquelle toutes ces opérations peuvent être simulées. On connaît dans le domaine de la conception assistée par ordinateur, des logiciels de dessin de pièces. A titre d'exemple non limitatif on citera le logiciel CATIA produit par la société DASSAULT, France, le logiciel IDEAS produit par la société SDRC aux Etats Unis d'Amérique. On connaît par ailleurs des logiciels nommés EUCLID, UNIGRAPHICS et PRO ENGINEER. Tous ces logiciels ont en commun une faculté de production d'informations numériques susceptibles, d'une part, de représenter des formes des objets physiques élaborés et de présenter des images de ces formes sur un écran du dispositif de conception assistée par ordinateur. Sur le plan général, pour les objets physiques élaborés, s'agissant de ces informations numériques, on pourra parler de calcul de ces formes. Une telle appellation est équivalente à une appellation de dessin, dans la mesure où on dessine les formes de ces objets physiques, notamment lorsque leur élaboration va de pair avec une présentation simultanée sur l'écran.
D'autre part, ces logiciels comportent des interfaces de commande permettant la commande de machines outils (la plupart du temps des fraiseuses multi-axes) susceptibles de façonner les pièces dessinées, voire un moule de fonderie de la pièce dessinée. Ces logiciels permettent, selon un descriptif de base de données qui leur est propre, de définir les formes des objets physiques élaborés. Sur le plan pratique, les formes peuvent être décrites d'une manière vectorielle, et plus généralement sous la forme de fonctions analytiques géométriques, et d'autre part sous une forme ponctuelle, sous la forme de collections de nuages de points. Dans les deux, cas les lieux géométriques désignés dans l'espace sont affectés d'une propriété celle d'appartenir ou non à l'objet physique concerné.
Il est connu, pour les calculs des formes des objets physiques à intégrer dans un grand ensemble, de se lancer dans deux types d'études complémentaires. Un premier type d'étude concerne l'encombrement occupé par la pièce au repos. En pratique, les logiciels comportent des fonctions d'intersection pour élaborer un volume physique résultant de l'intersection du volume de l'objet physique élaboré et du volume de l'environnement dans lequel cet objet physique est destiné à s'insérer. Si le volume de l'intersection est vide, l'objet physique peut occuper la place qui lui est assigné. Sa forme est acceptable. Le problème peut être compliqué par l'opération de mise en place qui nécessite, depuis un espace extérieur à l'environnement de calculer un cheminement par lequel l'objet physique peut être mis en place dans cet environnement. Cette opération de mise en place revient en fait à effectuer la vérification précédente pour un ensemble continûment variable de positions dans l'espace de l'objet physique jusqu'à ce qu'il ait rejoint la place qui lui est assignée dans le dispositif.
Un deuxième type d'étude concerne l'étude des déformations intrinsèquement subies par l'objet physique. Ces déformations sous contrainte peuvent être liées à des évolutions en température, en pression, à la soumission de l'objet physique à des efforts, voire à des champs électriques, et d'une manière générale à toute action physique externe tendant à déformer l'objet physique élaboré. Sur le plan pratique, le calcul de ces déformations sous contrainte est généralement effectué par une méthode de calculs par éléments finis. En pratique, l'objet physique est ainsi virtuellement morcelé en un maillage de petits éléments géométriques (par exemple des éléments tétraèdriques ou hexaédriques, par exemple cubiques) et des tenseurs de contrainte sont appliqués sur chacun d'eux de manière à calculer les résultantes des déformations de l'objet.
De telles études de déformation sont notamment entreprises pour des étriers de frein d'un dispositif de freinage qui doivent subir des efforts importants, voire des accélérations brusques lorsqu'un conducteur d'un véhicule appuie fortement sur la pédale de frein. Dans le même ordre d'idées, le remplissage (notamment sur la chaîne de montage) d'un circuit hydraulique de freinage d'un véhicule amène ce dernier à subir une surpression (utile pour éviter la présence de bulles d'air dans le circuit hydraulique). Cette surpression est telle que ce réservoir peut se gonfler comme un ballon de baudruche. Les calculs par éléments finis permettent notamment de déterminer la déformation du réservoir.
Toutefois ces logiciels de conception assistée par ordinateur, même lorsqu'ils sont munis d'un sous-programme de calcul des déformations par éléments finis ne permettent pas de prendre en considération les effets des déformations subies par l'objet physique lorsqu'il est mis en place dans le dispositif qui l'accueille. Par exemple, pour le réservoir hydraulique présenté ci-dessus, autant son insertion dans le compartiment moteur du véhicule peut être possible, autant sa résistance à la surpression peut avoir été mesurée et avoir été jugée acceptable, autant, lorsque cette surpression est appliquée alors que ce réservoir est en place dans ce compartiment moteur, il peut se produire une mise en contact de ce réservoir (par gonflement) avec une autre partie de l'habitacle qui viendrait modifier sévèrement les conditions de remplissage au point de faire perdre à cet équipement sa fiabilité.
Le même problème peut bien entendu se produire si un autre équipement voisin de l'objet physique étudié subit au même moment d'autres contraintes modifiant également son occupation dans l'espace.
Dans l'état de la technique, pour tenir compte de ces problèmes il est prévu de mesurer le déplacement d'une partie de l'objet physique sous l'effet des contraintes, et de vérifier que le déplacement de cette partie est compatible avec l'espace laissé disponible pour accueillir cet objet physique. Une telle démarche, réalisée en pratique manuellement nécessite d'extraire à partir du logiciel de calcul par éléments finis une valeur représentative du déplacement. A l'aide de cette valeur, un opérateur vérifie qu'à l'endroit dans la pièce pour lequel cette valeur a été extraite, le débattement correspondant est acceptable.
Une telle démarche n'est cependant pas suffisamment efficace. Il apparaît ainsi des situations dans lesquelles, notamment du fait de la complexité de forme des pièces, des contacts entre pièces se produisent, alors que, pour les lieux de la pièce mécanique pour lesquels les déplacements ont été calculés, la compatibilité d'implantation, la possibilité de non interférence, existait apparemment. La solution consistant à évaluer de telles valeurs de déplacement en d'autres points de l'objet physique n'est pas réellement praticable. En effet, d'une part elle conduit à des vérifications ultérieures multipliées (ce qui retarde la date de fin de conception de l'objet physique). D'autre part et surtout, elle n'apporte pas la garantie que l'implantation sera parfaite. Il faudrait la faire pour tous les points de la pièce.
Dans l'invention, pour remédier à ce problème on s'est alors livré à deux opérations complémentaires. Premièrement, à partir de la forme déformée de l'objet physique sous l'effet des contraintes, forme qui est calculée par le logiciel de calcul par éléments finis, on élabore une forme compatible avec le protocole de traitement du logiciel de conception lui- même. En quelque sorte on effectue un transcodage de la forme calculée dans le logiciel par calculs par éléments finis, en une forme, calculée par un logiciel de conception assistée par ordinateur. Dans une deuxième étape, on réalise une union géométrique de la forme de l'objet physique de départ et de la forme déformée obtenue à l'issue de la première étape. On obtient en agissant ainsi une enveloppe des différents états de contrainte : forme au repos et forme déformée (éventuellement avec plusieurs types de déformation). Puis, on remplace pour l'étude d'implantation la forme au repos élaborée par cette forme enveloppe, et on compare cette dernière à un espace disponible dans le dispositif d'accueil pour savoir si elle y trouvera toujours sa place. En variante, si le dispositif d'accueil comporte lui-même des objets physiques susceptibles d'être soumis à des contraintes, on remplace dans le logiciel de conception assistée par ordinateur la forme de ce dispositif d'accueil par la forme enveloppe de ce dispositif d'accueil (c'est à dire comportant le dispositif d'accueil au repos réuni avec le dispositif d'accueil ayant subi des contraintes). En agissant ainsi on peut facilement vérifier que le projet de réalisation de l'objet physique est acceptable.
En variante, on peut modifier progressivement la forme de l'objet physique au repos, calculer la déformée de cette forme modifiée, et en déterminer lors d'une parfaite comparaison quelle est la modification ultime pour laquelle un phénomène de contact se produit avec les autres parties du dispositif d'accueil.
En variante également, plutôt que de rechercher le contact, on pourra rechercher les déformations de l'objet physique pour lesquelles un contact existant, par exemple lié à la présence d'un joint comprimé entre deux pièces, sera défait du fait du relâchement d'une contrainte ou de la déformation d'une pièce.
En variante enfin, on pourra déterminer avec le procédé de l'invention jusqu'à quel niveau de contrainte l'objet physique élaboré peut être soumis avant que des phénomènes de contact, ou indésirables, ne se produisent. L'invention a donc pour objet un procédé de conception d'une forme assisté par ordinateur, caractérisé en ce qu'il comporte, avec l'ordinateur, les étapes suivantes :
- on calcule une forme au repos d'un objet physique à l'aide d'un logiciel de conception assistée par ordinateur, - on calcule une forme d'une déformée sous contrainte de cet objet physique, la déformée étant obtenue à l'aide d'un logiciel de calcul par éléments finis,
- on élabore une forme d'une enveloppe de l'encombrement de cet objet physique dans ses états de contraintes, et - on compare la forme de l'enveloppe de l'encombrement à une forme d'un espace disponible.
L'invention a également pour objet un procédé de construction d'une pièce conçue selon le procédé de l'invention.
L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit et à l'examen des figures qui l'accompagnent. Celles-ci ne sont présentées qu'à titre indicatif et nullement limitatif de l'invention. Les figures montrent :
- Figure 1 : une représentation schématique d'une forme calculée selon le procédé de l'invention, avec les différentes étapes de calcul de ce dernier ; - Figure 2 : un dispositif apte à la mise en œuvre du procédé de l'invention.
La figure 1 montre les différentes étapes d'élaboration de la forme d'un objet physique. Par calcul de la forme d'un objet physique on entend essentiellement l'édition, notamment sous la forme d'un fichier, des informations représentatives de cette forme. La forme de l'objet physique existe donc ainsi en dehors de toute visualisation de cette forme. Néanmoins, pour simplifier l'explication dans la figure 1 , on a montré une visualisation de la forme, telle qu'en pratique elle sera montrée sur un écran d'un dispositif de conception assistée par ordinateur. Ainsi au cours d'une première étape a) on dessine (on calcule) avec un dispositif de conception assistée par ordinateur, CAO, une forme 1 d'un objet physique au repos. Avec le même ordinateur, ou un autre, équipé d'un logiciel FEM de calcul par éléments finis, notamment le premier cité ci-dessus, il est possible au cours d'une deuxième étape, b), de calculer une forme 2 d'une déformée sous contrainte de cet objet physique. La contrainte représentée ici est une contrainte mécanique résultant d'un effort 3. Bien entendu cette contrainte peut être de différente nature : température, vieillissement, transformation physique, champ électrique et ainsi de suite. Schématiquement on a représenté au cours des étapes a) et b) respectivement une poutre au repos et une poutre ayant subi une flexion. Le logiciel de calcul par éléments finis, ou un sous-programme correspondant, sont essentiellement capables de calculer des écarts 4 subis par des points particuliers 5 de la pièce 1. Ces écarts 4 étaient utilisés, manuellement, dans l'état de la technique pour vérifier l'adéquation des pièces à l'usage qu'on leur destinait. Selon l'invention au cours d'une troisième étape c) on élabore une forme d'une enveloppe de l'encombrement de cet objet physique dans ses différents états de contrainte. En pratique au cours de l'étape c) on effectue deux opérations. Une première opération consiste à transcoder la forme élaborée au cours de l'étape b) en une forme 6 (de forme identique) mais exprimée selon un protocole différent, compatible avec le sous-programme de conception utilisé au cours de l'étape a). Typiquement, les fichiers représentatifs de la pièce déformée, issus du logiciel FEM, de type .dat (data - données), sont transcodés en des fichiers lisibles et exploitables par le logiciel de CAO. On verra plus loin comment cette transformation peut être entreprise. Comme deuxième opération, au cours de l'étape c) on calcule une réunion 7, au sens booléen du terme, du volume occupé par la forme 6 (nouvellement calculée) et de la forme 1 de départ. On verra par la suite comment le calcul de cette enveloppe peut être mené et surtout simplifié. Enfin, au cours d'une quatrième étape d) selon l'invention, on compare l'enveloppe 7 précédemment calculée à une forme 8 destinée à accueillir la pièce 1 et procurant un espace disponible à cet effet. Le but de l'invention est de vérifier qu'il n'existe pas de point de contact 9 entre cette enveloppe 7 et la forme d'accueil 8. La figure 2 montre un dispositif utilisable pour mettre en oeuvre le procédé de l'invention. Ce dispositif comporte d'une manière classique un ensemble informatique muni d'une unité centrale 10 reliée par un bus 11 de commandes d'adresses et de données à un périphérique 12 servant d'interface homme machine (dans la pratique une souris) et à un périphérique 13 de visualisation (un moniteur). L'unité centrale 10 comporte un microprocesseur 14 relié notamment par le bus 11 à une mémoire programme 15 et à une mémoire de données 16. La mémoire programme 15 comporte essentiellement un premier programme 17 permettant de mettre en œuvre l'opération a) de la figure 1 de calcul d'un fichier CAO et un deuxième programme 18 permettant un calcul de la déformée de l'étape b) de la figure 1 notamment sur la base de calculs par éléments finis de formes connues.
Avec l'interface de commande 12 un opérateur, personne physique, est capable de constituer une forme, c'est à dire des enregistrements de données 19 stockables dans la mémoire 16. Pour l'élaboration de ces enregistrements 19, le programme 17 permet, avec des outils 20, notamment des icônes apparentes sur un bord de l'écran du moniteur 13, de sélectionner des formes élémentaires préétablies. Ces formes élémentaires préétablies peuvent être des points tels que 21 , des segments 22 ou 23, courbes ou droits, des surfaces 24 ou 25, ici triangulaires ou circulaires, ou des volumes élémentaires 26, 27, 28, respectivement parallélépipèdiques cylindriques ou sphériques, ou encore d'autres formes. Une fois que ces formes élémentaires préétablies sont sélectionnées l'opérateur peut venir les placer par un déplacement 29 à un endroit déterminé 30 par rapport à une première partie 31 d'un objet physique déjà constitué. Ou bien, la forme élémentaire est placée à l'endroit 30 si elle est la première. Bien entendu les logiciels de conception assistée par ordinateur sont tels que les formes physiques préalablement élaborées peuvent être réutilisées pour la conception d'un objet physique plus important. Ainsi de suite, progressivement, l'opérateur dessine l'objet physique sur l'écran en même temps que le logiciel 17 de CAO constitue le fichier 19 correspondant. Les logiciels connus présentent par ailleurs différentes possibilités d'extension par homothétie, de rotation et de duplication etc. pour faciliter le travail de l'opérateur. En pratique, les enregistrement 19 sont des enregistrements représentant des volumes, c'est-à-dire des espaces circonscrits par des surfaces fermées.
Les enregistrements 19 et le logiciel 17 permettent la visualisation de l'objet physique sur le moniteur 13. Ces enregistrements 19 peuvent être donnés sous une forme vectorielle ou sous une forme de nuages de points. Sans entrer dans les détails, un sous-programme 32 de visualisation de l'ensemble 10 montre qu'une représentation vectorielle peut comporter, pour chaque élément 33 de l'objet physique à représenter des coordonnées xO yO zO d'un point caractéristique (à placer à l'endroit 30 sur l'objet 31) ainsi que des valeurs Δx Δy Δz de l'extension attendue de l'objet élémentaire 33. Au moment de la visualisation, si le logiciel a besoin d'un volume numérique représentant toutes les régions de l'espace dans lequel l'objet est présent, une liste de points xi yi zi est calculée à la volée. Si le processeur graphique n'est pas assez rapide, on peut envisager de stocker ces nuages de points qui permettent de définir l'objet. A chaque point xi yi zi est affecté une valeur, 1 ou 0 pour simplifier, signifiant que le lieu désigné dans l'espace appartient ou n'appartient pas au volume de l'objet physique à réaliser. Les points xi yi zi sont tels qu'avec un pas δ ils souscrivent aux contraintes xO < xi + δi < xO + Δx, yO < yi + δi < yO + Δy, zO < zi + δi < zO + Δz. Bien entendu d'autres représentations de fichier sont envisageables. La présente représentation est indiquée pour simplifier l'explication de l'invention. Chaque icône 21 à 28 de l'interface homme machine est associée à un programme exécutable élémentaire, ce programme exécutable élémentaire recevant en entrée des informations de paramètres et produisant en sortie pour la visualisation, à la volée, ou pour mémorisation, un fichier de coordonnées de nuage des points appartenant au solide élémentaire dans l'objet physique. La mise en œuvre du programme 18 de calcul de déformée par éléments finis revient à morceler l'objet 33 en un maillage d'éléments finis de forme donnée. La forme donnée des éléments finis est imposée par le logiciel de FEM. La forme la plus usuelle est l'élément tétraédrique. Un maillage avec éléments tétraèdriques présente l'avantage d'être automatique. Toutes les formes peuvent être maillées de manière automatique avec des tétraèdres. Sur la figure 2, la représentation la plus pratique des éléments finis est une représentation hexaédrique de l'objet 33. Le programme 18 est donc mis en œuvre et permet d'élaborer les écarts 4 d'une manière connue. Alors que le logiciel 18 propose une forme, l'expression de cette forme n'est pas dans un format compatible avec le logiciel de CAO. Typiquement, le logiciel 18 de FEM construit des fichiers dont les enregistrements correspondent à des localisations des nœuds des éléments finis (quatre nœuds dans le cas d'un élément tétraédrique) et à des déplacements des nœuds de chacun de ces éléments finis. Pour dessiner alors avec le logiciel de CAO la forme de l'objet déformé, à partir de ces localisations et de ces déplacements, on se sert dans l'invention des éléments de la structure déformée.
Dans l'invention, pour passer de la forme 2, étape b), à la forme 6, étape c), on va créer un volume élémentaire, selon le logiciel de CAO, pour chacun des éléments finis de la forme déformée de la pièce. En pratique on va calculer en CAO autant de volumes élémentaires qu'il y a d'éléments finis ayant été déformés par la contrainte. Puis, selon une technique déjà disponible avec le logiciel de CAO, on va fusionner tous les volumes élémentaires de CAO de façon à produire un volume 6 en CAO de la pièce déformée. On agglomère ainsi les volumes élémentaires déformés.
On peut produire chacun des volumes élémentaires à l'aide des formes élémentaires de la banque 20 de formes élémentaires. Et on les met ensuite en place les uns par rapport aux autres comme l'objet 33 par rapport à l'objet 31. Dans la pratique cette mise en place est automatique puisque, chaque élément fini ayant été déduit automatiquement de la pièce 2, la transformation inverse automatique est possible.
On peut admettre que le calcul d'éléments finis a conduit à la détermination d'un nombre important d'éléments finis déformés, par exemple 40 000. Il convient alors de faire un calcul de 40 000 volumes élémentaires. Dans l'invention, pour ne pas faire ce travail manuellement, on remarque qu'on connaît d'une part la forme des éléments finis avec laquelle la pièce 2 a été évaluée. Dans le cas général ce sont des tétraèdres. On connaît aussi la manière dont le fichier représentatif de la pièce 2 est constitué. Dans l'exemple, ce fichier comporte 40 000 enregistrements renseignant chacun sur les coordonnées dans l'espace de chacun des quatre nœuds du tétraèdre. On réalise alors un sous programme élémentaire qui est capable de construire dans le logiciel de CAO un volume élémentaire tétraédrique à partir de la lecture d'un enregistrement renseignant sur les coordonnées des quatre nœuds d'un élément fini tétraédrique déformé. On utiliserait un autre sous programme élémentaire si l'élément fini était un hexaèdre, par exemple un cube. Pour dessiner alors tous les volumes élémentaires, il suffit de lire un enregistrement, de lancer le sous programme élémentaire, de recommencer pour un enregistrement suivant, et de fusionner au sens du dessin par logiciel de CAO, les volumes élémentaires obtenus. On aboutit ainsi à la définition de la forme 6, figure 1 , donnée dans le protocole du logiciel 17. Autrement dit, on dispose maintenant de deux enregistrements dans la mémoire 16 un enregistrement 19 représentatif de l'objet physique au repos et un enregistrement 34 représentatif de la forme 6 déformée de l'objet 1. Dans une solution préférée, pour limiter les calculs de reconstruction des volumes élémentaires, on commence par choisir ceux de ces éléments finis déformés qui sont à la surface de l'objet. On sait qu'un élément fini n'est pas à la surface de l'objet si, par exemple pour des éléments finis tétraèdriques, chaque face ou triplet de ses nœuds est commun à un premier élément fini et à un autre élément fini. Pour un élément tétraédrique, il y ainsi quatre triplets (quatre faces) de l'élément à tester à chaque fois. En variante, on recherche les triplets de nœuds qui ne sont attachés (ensemble) qu'à un seul élément fini.
En pratique, on fait ensuite lire, progressivement, par le sous programme élémentaire, qui peut être incorporé dans le logiciel de CAO, le fichier des éléments finis déformés de la surface de l'objet. Cette lecture doit de préférence être progressive car le transcodage occupe beaucoup de ressource de mémoire vive du processeur de dessin. Pour ne pas le saturer, il importe de segmenter le transcodage, plus exactement de fusionner régulièrement entre eux des sous ensembles de volumes élémentaires obtenus.
Ensuite, pour s'assurer de la cohérence de la reconstruction, on mesure le volume V2 de la pièce déformée et on le compare au volume V1 de la pièce au repos. Les logiciels de CAO connus comportent des sous programmes capables de ces calculs de volume. On se sert ensuite du fait que, malgré les contraintes subies, la pièce qui est en un matériau non compressible doit conserver un volume inchangé. Si la comparaison des volumes révèle un trop grand écart, par exemple supérieur à 10%, on peut en déduire que la reconstruction a été impropre, ou plus simplement, que le calcul par éléments finis a pris en considération des éléments finis de tailles inadéquates, et qu'il doit être repris avec des tailles d'éléments finis différentes, plus petites.
Le logiciel 15 comporte de manière connue des facultés de réaliser des unions ou des intersections booléennes de volumes. Notamment, sur le plan pratique l'accolage de la forme élémentaire 33 à la forme 31 était équivalente à une union. En pratique, l'enregistrement de réunion 35, correspondant à la réunion de la forme 1 (fichier 19) avec la forme 6 (fichier 34), comportera les désignations vectorielles redondantes. Dans ce cas, une seule d'entre elles est prise en compte pour le calcul de l'enveloppe. Il comportera également des désignations vectorielles supplémentaires et dans ce cas elles sont prises toutes en considération. Au total, la forme représentative de l'enveloppe sera représentée par une collection 35 plus importante de désignations vectorielles, ou par ailleurs par une collection plus importante de points dans le nuage. Connaissant par ailleurs la définition de l'espace laissé disponible par la pièce 8 (qui peut également être calculé avec le programme 17), on sait mesurer maintenant l'intersection de l'enveloppe 7 ainsi calculée avec cet espace disponible dans la pièce 8. Si l'intersection est nulle, il n'y a pas contact. Si l'intersection révèle l'existence de points on sait qu'il y a contact et la pièce 1 n'est pas acceptable.
Plutôt que de prendre en compte pour le calcul de la réunion de la forme de l'objet 1 et de la forme déformée 6, la totalité des points de cet objet on peut se satisfaire de la prise en considération du calcul des surfaces externes de l'objet physique et des surfaces externes de la forme de la déformée de cet objet physique. De telles simplifications sont déjà disponibles dans les logiciels existants du fait que ces logiciels permettent de représenter des vues des objets (plutôt que des coupes de ces objets). En effet les coupes des objets comportent des ensembles de traits montrant les contours et les arêtes des objets physiques à réaliser. Dans certains cas toutefois, les dessins de ces contours ne sont pas nécessaires et seule une apparence extérieure est utile. Dans ce cas, avec des dispositifs de visualisation on est capable de calculer la surface extérieure de l'objet, de la soumettre, fictivement, à un éclairement, et de représenter sur l'écran du moniteur 13 l'image telle qu'elle serait visible par un opérateur qui manipulerait une pièce réelle. Pour le présent calcul de l'enveloppe, étant donné que seule la surface extérieure est importante, on peut se limiter au calcul de cette surface. Les calculs d'intersections sont alors plus simples : il y a intersection dès que la surface de l'objet touche l'espace disponible intérieur du réceptacle 8, ou plus simplement aussi la surface de ce réceptacle 8.
En agissant ainsi on aboutit au résultat escompté que la détermination de la pièce et de sa fonctionnalité est bien mieux appréciée que dans l'état de la technique.
En outre, dans certains cas, l'espace disponible laissé entre l'objet physique et son environnement est grand alors que la définition d'un objet physique plus grand aurait été plus profitable pour le dispositif global à fabriquer. Par exemple, dans le cas cité ci-dessus, s'il est possible de fabriquer un étrier de freins plus grand, plus gros, plus robuste, on pourrait avoir intérêt à le faire. Avec l'invention, on part d'un objet physique de départ, par exemple un étrier de frein de taille donnée, on lui fait subir les opérations a), b), c) et d), et si la comparaison de l'étape d) est favorable on augmente une des dimensions de cet objet au moins (par exemple la dimension Δy de l'objet 33) et on recommence les itérations a), b), c) et d) pour vérifier que la comparaison est toujours favorable. On procède ainsi par itération pour permettre de mieux définir la forme de l'objet physique. On notera de ce point de vue qu'un objet physique plus gros peut subir des déformations moindres et donc que l'augmentation de sa taille ne va pas nécessairement avec l'augmentation de la déformation 4 qui en résulte.
Une autre façon de voir le problème consiste à modifier la force de l'effort 3, ou d'une manière générale l'effet de la contrainte à laquelle est soumis l'objet à étudier. Par exemple on étudiera sa dilatation jusqu'à une certaine température, ou jusqu'à une certaine autre température, et ainsi de suite. Avec l'invention, on est alors capable de connaître le seuil de la contrainte au-delà duquel la fonctionnalité de la pièce n'est plus acceptable. On peut ainsi en modifiant la forme et en étudiant les effets des contraintes réaliser des pièces satisfaisant mieux aux prescriptions et spécifications des constructeurs.
Enfin, autant pour l'objet physique concerné on a étudié sa déformée, autant pour l'espace laissé libre par le réceptacle 8 on peut prévoir quel est le véritable espace disponible lorsque ce réceptacle 8 lui-même est soumis à une contrainte. On fait donc subir au réceptacle 8 un même traitement que pour l'objet 1 : l'espace disponible devenant plus faible alors que l'espace occupé pour l'objet 1 devient plus grand.
L'invention s'applique à la construction de pièces conçues selon le procédé décrit ci-dessus notamment pour le domaine de l'automobile ou de l'aviation.

Claims

REVENDICATIONS
1 - Procédé de conception d'une forme assisté par ordinateur, caractérisé en ce qu'il comporte, avec l'ordinateur, les étapes suivantes : - on calcule une forme (1) au repos d'un objet physique à l'aide d'un logiciel (17) de conception assistée par ordinateur,
- on calcule une forme (6) d'une déformée (2) sous contrainte de cet objet physique, la déformée étant obtenue à l'aide d'un logiciel (18) de calcul par éléments finis, - on élabore une forme (7) d'une enveloppe de l'encombrement de cet objet physique dans ses états de contraintes, et
- on compare (d) la forme de l'enveloppe de l'encombrement à une forme d'un espace disponible.
2 - Procédé selon la revendication 1 , caractérisé en ce qu'on présente les formes par des images sur un écran d'un ordinateur mettant en œuvre le logiciel de conception assisté par ordinateur.
3 - Procédé selon l'une des revendications 1 à 2, caractérisé en ce qu'on calcule une première forme (2) d'une déformée de l'objet physique par calcul par éléments finis, et on calcule une deuxième forme (6) de la déformée par calcul de volumes élémentaires, chaque volume élémentaire résultant d'un calcul effectué par le logiciel de conception assisté par ordinateur d'un volume d'un élément fini.
4 - Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que pour le calcul de la deuxième forme de la déformée, on se limite au calcul de surfaces externes de la forme de l'objet physique ou de la forme déformée de cet objet physique.
5 - Procédé selon l'une des revendications 3 à 4, caractérisé en ce que les éléments finis ont une forme tétraédrique ou hexaédrique.
6 - Procédé selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'on calcule, à l'aide d'un logiciel de conception assistée par ordinateur, une forme de l'objet physique, à partir de volumes élémentaires, les volumes élémentaires étant représentés par des icônes (21-28) dans une interface homme machine du logiciel utilisé de conception assistée par ordinateur.
7 - Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que chaque icône de l'interface homme machine est associée à un programme exécutable élémentaire, ce programme exécutable élémentaire recevant en entrée des informations de paramètres et produisant en sortie pour la visualisation, à la volée ou pour mémorisation, un fichier de coordonnées de nuage des points appartenant au volume élémentaire dans l'objet physique. 8 - Procédé selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que pour comparer la forme de l'enveloppe de l'encombrement à une forme (8) d'un espace disponible, on calcule une intersection géométrique de la forme de l'enveloppe de l'encombrement de l'objet physique avec une forme de l'encombrement d'objets physiques voisins. 9 - Procédé selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que les contraintes sont des contraintes quantifiées et en ce qu'on détermine une contrainte de seuil au delà de laquelle l'intersection de la forme de l'enveloppe de l'encombrement de l'objet physique avec une forme de l'encombrement d'objets physiques voisins n'est pas vide. 10 - Procédé selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce qu'on réitère les opérations a) à d) en modifiant la forme de l'objet physique jusqu'à ce que la comparaison de l'étape d) soit satisfaisante.
11 - Procédé selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que pour élaborer une forme d'une enveloppe de l'encombrement de cet objet physique dans son ou ses états de contraintes, on calcule une réunion géométrique de la forme de cet objet physique et de la forme de la déformée sous contrainte de cet objet physique.
12 - Procédé de construction d'une pièce conçue selon le procédé de l'une des revendications 1 à 11.
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