études de conception et analyses de compromis

1. PTC.comPage 1/7 | PTC Mathcad : bonnes pratiques
Livre blanc
Ce livre blanc examine les études de conception et les analyses de
compromis en tant que bonnes pratiques permettant de prendre
de meilleures décisions de conception au début du cycle de vie du
développement de produits.
Il expose les avantages que vous pouvez en retirer
pour résoudre certaines difficultés dans les domaines
du génie électrique, du génie mécanique et du génie
civil. Un scénario différent est présenté pour chacune
de ces disciplines et met en valeur les fonctionnalités
de PTC®
Mathcad®
qui rationalisent les performances
des études de conception et des analyses de
compromis.
En suivant ces bonnes pratiques, le Bureau d’études
peut opérer plus rapidement ses choix de conception,
avec l’assurance d’avoir évalué toutes les possibilités
les plus prometteuses. Le fait de prendre les
décisions de conception les plus adaptées au début
du cycle de vie du développement de produits entraîne
une série d’avantages :
• Délai de mise sur le marché plus court avec moins
de risques
• Créativité de l’ingénierie favorisée par l’exploration
rapide d’un plus grand nombre de conceptions
• Conceptions de produits optimisées permettant
d’atteindre les performances réelles souhaitées
• Diminution des coûts relatifs au produit, à la
garantie et au développement
Études de conception et analyses de compromis :
une bonne pratique pour améliorer les décisions
de conception précoces
Les études de conception et les analyses de
compromis constituent une bonne pratique pour
améliorer les décisions de conception précoces qui,
à leur tour, contribueront à réduire les coûts plus loin
dans le processus de développement de produits. Les
ingénieurs établissent des plages de performances
Bonnes pratiques du développement de produits:
études de conception et analyses de compromis
et des courbes de compromis à l’aide de modèles
mathématiques afin d’identifier rapidement la solution
de conception la mieux adaptée aux spécifications du
produit. Une étude ou une analyse bien documentée
doit montrer clairement pourquoi la conception
proposée présente le meilleur compromis possible
en termes de performances et de coûts, et donner
l’assurance qu’une meilleure solution n’a pas été
laissée de côté.
Mais avant de tirer tous les avantages de cette bonne
pratique, vous devrez affronter quelques difficultés.
De nombreux nouveaux produits sont en fait des
variantes de produits existants. Si l’analyse d’origine
de ces produits n’a pas été capturée ou ne peut pas
être facilement retrouvée, vous devez refaire du
travail qui a déjà été fait. Cette situation entraîne
des délais de développement plus longs, mobilise
des ressources précieuses et limite le nombre de
conceptions qui peuvent être effectivement évaluées.
Ce processus est particulièrement long et lent pour
le nouveau personnel ou les nouveaux membres
d’une équipe qui ne peuvent se baser sur aucune
information connue.
Par exemple, si une analyse n’est pas documentée ni
associée à une conception particulière, les ingénieurs
du groupe de modélisation doivent supposer les
raisons qui ont présidé à certains choix de conception.
Si l’analyse était mieux commentée et accompagnée
d’hypothèses, les ingénieurs pourraient passer plus
rapidement, et avec plus d’assurance, à la phase de
solution. Une conception mieux commentée et mieux
organisée permet de communiquer plus efficacement
avec la direction pour obtenir l’approbation de celle-ci,
et de partager le travail entre les différents services
ou dans l’ensemble de l’entreprise.

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Pour surmonter ces difficultés et tirer tous les
avantages des études de conception et des analyses
de compromis, les ingénieurs ont besoin des
fonctionnalités essentielles qui leur permettent de :
• Générer rapidement des études de conception
intégrant différents domaines fonctionnels, puis
d’analyser et de documenter celles-ci
• Prendre en considération absolument toutes
les exigences de conception afin de faire les
meilleurs choix
• Évaluer avec efficacité et assurance la sensibilité
des différents modèles pour comprendre et
quantifier l’impact d’une modification sur les
objectifs de conception (itération rapide des
possibilités)
• Intégrer les résultats à des applications externes
et communiquer clairement ceux-ci à tous les
niveaux de l’entreprise ainsi que dans les différents
groupes
Études de conception et analyses de compromis
dans les différentes disciplines d’ingénierie
L’électricité, la mécanique et le génie civil bénéficient
tous les trois des études de conception et des
analyses de compromis. Pourtant, chaque discipline
doit faire face à des défis uniques, présentés dans les
trois scénarios ci-dessous.
Dans le premier scénario, un ingénieur électricien
est chargé de reconcevoir un circuit peu performant
dans un contrôleur de jeu vidéo et de respecter
certaines exigences (fiabilité accrue, consommation
électrique plus faible, meilleure interopérabilité avec
les périphériques existants). Ensuite, une équipe de
génie mécanique tente de déterminer le matériau
le mieux adapté à la force de préhension maximum
d’un composant de bras robotisé tout en respectant
les paramètres de conception (épaisseur, poids...) et
les contraintes de coûts. Enfin, un bureau de génie
civil est chargé de présenter les compromis coûts/
bénéfices pour trois types de construction de pont en
tenant compte des réglementations de sécurité du
ministère des Transports.
Dans chaque scénario, les fonctionnalités requises
pour sélectionner rapidement la meilleure conception
sont offertes. Les exigences spécifiques des trois
disciplines (génie électrique, génie mécanique et
génie civil) sont prises en charge, ce qui permet à
chaque équipe de :
• Créer facilement et intuitivement des options de
conception de modèle mathématique
• Utiliser ce modèle pour itérer efficacement les
options de conception
• Partager et passer en revue les options de
conception avec le management et l’équipe
au niveau mondial et ce, dans la plus grande
transparence
Scénario 1 : Reconception des circuits pour de
meilleures performances de jeu
Une société manufacturière demande à un ingénieur
de reconcevoir les circuits d’un contrôleur de jeu vidéo
pour un client. La nouvelle conception doit respecter
des exigences spécifiques : une fiabilité accrue, une
consommation électrique plus faible et une meilleure
interopérabilité avec les périphériques existants.
Les contraintes de coûts indiquent l’utilisation de
composants du commerce, moins chers, dès que c’est
possible.
Avec cet outil, l’ingénieur crée rapidement les
modèles du composant de conception dans des
documents. Un modèle se concentre sur l’analyse
de compromis de l’impédance de différents circuits
résistance-capacité du commerce. L’interface
intuitive à tableau blanc et l’éditeur d’équations
intégré permettent à l’ingénieur d’écrire les solutions
et les contraintes dans une notation mathématique
naturelle et familière (cf. Figure B). L’ingénieur peut
alors consacrer son attention aux essais et à l’analyse
elle-même, au lieu de s’échiner à « programmer » des
formules illisibles.
Il dispose de plus de 600 fonctions mathématiques
et de bibliothèques d’équations standard pour
l’électricité, et peut ainsi créer rapidement et
facilement des modèles de composant avant de les
employer dans une conception.
Figure A : PTC Mathcad propose des bonnes pratiques
à appliquer au stade « Bureau d’études » du tableau
Développement de produits.

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Pour évaluer l’impact de toute modification de
composant, l’ingénieur peut facilement modifier
la valeur de la résistance par exemple, en la faisant
passer de 8 à 30. Ces valeurs de composant sont
vraisemblablement déjà disponibles dans une
bibliothèque de composants prêts à l’emploi. Grâce
à la notation mathématique naturelle interactive de
l’outil, toute modification en temps réel (changement
des basses fréquences, des hautes fréquences, des
valeurs d’impédance totale) est immédiatement
reflétée dans tout le modèle. L’outil vérifie les unités
au fur et à mesure et permet ainsi de réduire les
erreurs et d’améliorer l’exactitude des résultats.
La notation mathématique naturelle, la précision
du contrôle des unités et les équations interactives
permettent une communication plus claire entre les
ingénieurs, ce qui améliore l’efficacité du processus
et diminue la probabilité d’erreurs coûteuses.
Le logiciel appelle automatiquement des calculs
d’impédance définis précédemment ainsi qu’un
tableau de fréquences pour générer un tracé de
compromis d’impédance de transfert de premier
ordre (cf. Figure D). Toute modification effectuée
sur le tableau blanc ou dans les tableaux est
immédiatement répercutée dans le tracé. Comme
dans le cas de la modification du composant de
résistance ci-dessus, la modification de la capacité
entraîne automatiquement la mise à jour des
tracés pour l’impédance en hautes fréquences et
l’impédance totale. L’ingénieur peut alors évaluer et
communiquer les choix de composant
de l’analyse de compromis pour avoir une
compréhension claire des formules, avec les
hypothèses et les calculs bien présentés - qu’il
s’agisse de passer en revue une étude de conception
avec le management, de passer un audit avec un
organisme de réglementation ou de communiquer
avec des membres de votre équipe dans d’autres
régions du monde.
Figure B : Document PTC Mathcad affichant les calculs
d’impédance totale pour un circuit RLC du premier ordre.
Figure C : Boucle PTC Mathcad pour l’impédance.
Figure D : Tracé PTC Mathcad montrant le compromis
d’impédance de transfert de premier ordre.

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Scénario 2 : Évaluation de la limite d’élasticité de
matériaux pour une armature robotisée
L’équipe d’ingénierie d’un fabricant d’équipement
industriel doit évaluer la limite d’élasticité et les
coûts de matériaux utilisés pour des « doigts »
robotisés avec différentes forces de préhension.
Les matériaux évalués incluent des aciers (ASTM A36,
ASTM 514, acier inoxydable ANSI 302) et du
polyéthylène haute densité (PEHD). Le matériau doit
satisfaire aux exigences de limite d’élasticité et de
résistance à la traction afin d’atteindre la force de
préhension maximum en toute sécurité et s’adapter
aux paramètres de conception existants comme
l’épaisseur et le coût, ainsi qu’aux contraintes de coûts.
Avec l’interface intuitive à tableau blanc, les
ingénieurs formulent rapidement une série de tracés
et d’équations de compromis visuelles pour calculer
le moment d’inertie de surface pour la flexion de
l’axe X du modèle d’armature. L’éditeur d’équations
intégré permet à l’équipe d’exposer les solutions
de composant dans une notation mathématique
naturelle et familière, accompagnée d’une vérification
automatique des unités pour une meilleure exactitude.
L’équipe peut se concentrer sur les expériences et
l’analyse de la conception, plutôt que de s’éreinter
à « programmer » des formules difficiles à lire et
à communiquer.
L’architecture ouverte permet d’évaluer la contrainte
maximale en tant que fonction de l’épaisseur du
matériau. Récupérées d’un projet précédent, les
valeurs de limite d’élasticité, de force de rupture et
de densité des matériaux évalués ont été importées
à partir d’une feuille Excel
®
dans une bibliothèque de
documents propriétaires.
L’équipe d’ingénierie peut facilement intégrer ces
informations au document du modèle d’armature
utilisé pour effectuer l’analyse de compromis
(cf. Figure E).
Figure E : Tableau PTC Mathcad montrant la limite d’élasticité,
la force de rupture et la densité des différents matériaux.
Figure F : Graphique montrant l’analyse de compromis entre le
PEHD et l’acier ASTM A36.
L’équipe diminue l’épaisseur pour chaque matériau,
tout en préservant la limite d’élasticité, puis
PTC Mathcad génère un graphique offrant une
représentation visuelle du compromis entre le PEHD
et l’acier ASTM A36 (cf. Figure F).

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L’équipe conclut que le PEHD est le matériau le
mieux adapté, au vu des contraintes et des objectifs
énoncés. L’enveloppe de conception est suffisamment
spacieuse pour accepter une armature plus
épaisse, ce qui répond également aux exigences de
limite d’élasticité et de résistance à la traction. La
masse résultante est égale à 37,5 % de la structure
équivalente en acier A36, et le coût du PEHD est
inférieur à celui de l’acier. Le processus d’analyse
qui aboutit au choix du PEHD est automatiquement
documenté, pas à pas, dans le document, et peut ainsi
être facilement revu ou réutilisé par d’autres équipes
sur d’autres projets.
L’équipe peut aussi choisir d’importer les cotes de
l’armature et la géométrie de préhension directement
depuis un modèle CAO (comme PTC Creo®
Elements/
Pro®
) dans les documents, avec un « instantané »
du modèle CAO (cf. Figure G). Toute modification du
modèle peut être répercutée dynamiquement dans le
modèle CAO.
Scénario 3 : Comparaison coûts/bénéfices pour
la conception d’un pont
Un bureau d’études, qui a acquis des dizaines
d’années d’expérience dans la construction de ponts,
est chargé de déterminer le meilleur rapport coûts/
bénéfices parmi trois types de procédé : cantilever,
suspendu ou flottant.
Cette étude de conception implique un grand nombre
de variables, notamment la quantité de trafic, les
différents écartements, le coût de la maintenance, etc.
L’expérience montre que les ingénieurs en charge du
projet doivent prévoir les exigences de sécurité pour
obtenir les autorisations du ministère des Transports.
Heureusement, les ingénieurs ne doivent pas partir
de zéro pour réaliser les études de conception et
les analyses de compromis. Ils peuvent accéder à
leur bibliothèque de documents archivés provenant
de projets antérieurs. Pour les aider à trouver plus
rapidement la meilleure conception, le logiciel permet
aux ingénieurs de suivre une approche proposée
par le management pour approbation ou correction
beaucoup plus tôt dans le processus de conception.
L’équipe commence par sélectionner l’étude
de conception antérieure qui présente le plus
de similitudes avec le projet actuel. Le choix du
document le plus adapté est facilité par la notation
mathématique naturelle utilisée pour écrire les
calculs. Les hypothèses de base émises pour
l’étude précédente sont documentées sur la même
feuille et accompagnées de graphiques et d’autres
représentations visuelles de paramètres.
Figure G : Instantané de modèle CAO pour une armature
robotisée mobile.

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L’interface intuitive à tableau blanc et l’éditeur
d’équations intégré permettent à l’équipe de
modifier rapidement le document pour l’adapter
au projet actuel. Grâce à plus de 600 fonctions
mathématiques à sa disposition et aux bibliothèques
d’équations standard, l’équipe peut itérer rapidement
différentes possibilités de composants détaillés. Les
modifications apportées au document entraînent la
mise à jour en temps réel des résultats (éléments
visuels y compris). En outre, toute modification
effectuée est validée avec la vérification dynamique
des unités pour réduire les erreurs. Des annotations
peuvent être facilement ajoutées aux calculs afin de
documenter les hypothèses et les faits essentiels, et
de montrer comment les ingénieurs sont arrivés à
ces résultats, avec quels paramètres et selon quel
raisonnement.
Comme il suffit d’utiliser PTC Mathcad pour générer
automatiquement la documentation, les ingénieurs
n’ont pas besoin de créer un rapport séparé, destiné
au management et répétant les détails du document
d’origine et de ses modifications. Le management
peut être assuré que le nécessaire a été fait.
En résumé
Appliquées en tant que bonnes pratiques au début
du processus de développement de produits, les
études de conception et les analyses de compromis
permettent aux ingénieurs d’aligner plus précisément
les décisions de conception sur les exigences. PTC
Mathcad offre les fonctionnalités indispensables pour
tirer tous les avantages de ces bonnes pratiques, avec
efficacité et assurance.
Figure H : Répertoire de documents PTC Mathcad archivés
utilisés dans des études de conception et des analyses de
compromis.

7. Page 7/7 | PTC Mathcad : bonnes pratiques
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Phase de bonne pratique des
études de conception et des
analyses de compromis
Fonctionnalités PTC Mathcad prenant en charge les études de conception et les
analyses de compromis
Implémenter rapidement un
modèle mathématique de la
conception
• L’interface intuitive à tableau blanc, basée sur les tâches, améliore
l’utilisabilité et permet de maîtriser rapidement et aisément les fonctions et
fonctionnalités moins connues.
• L’éditeur d’équations WYSIWYG permet d’écrire les contraintes et les
solutions des problèmes en notation mathématique naturelle, sans
connaissance requise en programmation.
• La boîte à outils inclut plus de 600 fonctions prêtes à l’emploi pour résoudre
n’importe quel problème de calcul.
• La prise en charge complète des unités dans tous les calculs entraîne un
nombre réduit d’erreurs, des résultats d’une plus grande exactitude et une
communication plus précise entre les ingénieurs et les équipes.
Utiliser ce modèle pour essayer
différentes options rapidement et
efficacement
• L’environnement de calcul interactif permet de créer rapidement et facilement
des calculs à des fins de test, avant de les appliquer à la conception.
• Les fonctions de plan d’expériences aident les utilisateurs à comprendre
les différentes interactions qui influencent une expérience avec plusieurs
variables et niveaux, et fournissent des modèles pour un petit nombre
d’expériences plus poussées.
• L’intégration à d’autres produits (comme les applications CAO) améliore la
productivité, l’efficacité du processus et la collaboration entre les personnes
et les groupes.
Passer en revue et évaluer
plusieurs scénarios de
simulation prévisionnelle avec
l’équipe au niveau mondial et
transmettre au management
pour approbation
• La notation standard et l’affichage intégré du texte et des graphiques
produisent automatiquement des documents lisibles et compréhensibles
par tous les niveaux du management et par des équipes multiculturelles et
diversifiées.
• Le calcul interactif facilite la communication des scénarios de simulation
prévisionnelle dans les équipes, grâce aux annotations textuelles et aux
représentations graphiques.
• Les documents archivés partagés facilitent la capture et la réutilisation des
connaissances par les équipes, ce qui permet de mieux contrôler les erreurs
et favorise les bonnes pratiques de calcul technique.
En permettant de mettre en œuvre ces bonnes
pratiques de l’étude de conception et de l’analyse
de compromis, Mathcad aide le Bureau d’études à
contribuer aux objectifs de l’entreprise à un niveau
supérieur :
• Délai de mise sur le marché plus court avec moins
de risques
• Créativité de l’ingénierie favorisée par l’exploration
rapide d’un plus grand nombre de conceptions
• Conceptions de produits optimisées permettant
d’atteindre les performances réelles souhaitées
• Diminution des coûts relatifs au produit, à la
garantie et au développement
Pour en savoir plus, consultez la page
PTC.com/products/mathcad.
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