Détection, visualisation et communication de défauts dans les modèles géométriques et les maillages

Ce mémoire traite de problèmes rencontrés dans le cadre des premières étapes de la conception de pièces en lien avec la mécanique des fluides. En particulier, on s'attardera sur la méthodologie utilisée afin de détecter et communiquer des erreurs que peuvent rencontrer les concepteurs de pièces mécaniques, et en particulier de composantes de turbines hydroélectriques, lors du design préliminaire et des premières simulations numériques. En effet, lors des premières phases de design, il est souvent nécessaire d'obtenir un modèle mathématique complet de la pièce conçue afin de pouvoir évaluer son comportement final sans avoir à en réaliser un prototype. Ces modèles sont le plus souvent réalisés selon les normes de la représentation frontière (Boundary REPresentation, BREP) où les volumes ne sont définis que par les surfaces qui les délimitent. Cette méthode de modélisation, associée aux courbes paramétriques (en général de type Non Uniform Rational B-Spline (NURBS) ), permet de modéliser des géométries extrêmement complexes tout en utilisant des entités mathématiques (courbes, surfaces) assez simples. Cela permettra, par la suite, de réduire les temps de calcul nécessaires pour les simulations ou les rendus graphiques. Cette simplification des entités utilisées entraîne par contre des approximations, notamment au niveau des jonctions entre entités de même dimension (par exemple, deux surfaces jointives peuvent ne pas se suivre exactement le long de l'arête commune). Afin d'assurer l'étanchéité des volumes, différentes solutions sont utilisées. Celle qui a été choisie au sein de la série de logiciels basés sur la librairie Pirate est l'utilisation d'une topologie afin de spécifier quelles sont les entités coïncidentes. Mais ces solutions peuvent présenter des erreurs, par exemple si deux entités déclarées correspondantes sont en réalité géométriquement éloignées. Ces erreurs, si non corrigées, se retrouvent généralement dans les maillages générés à partir de ces modèles BREP, et donc ont une influence sur la qualité des simulations qui peuvent être effectuées ensuite. Le premier aspect de ce mémoire traite des moyens qui ont été mis en place au sein du logiciel TopoVisu afin de détecter et de visualiser les erreurs présentes au sein des modèles BREP et des maillages utilisés lors de l'étape de conception. Le second aspect de ce mémoire traite d'une des origines principales des erreurs citées précédemment : la conservation et le transfert des données. C'est à ce niveau que de nombreuses erreurs apparaissent. En effet, le passage d'un format de fichiers à un autre peut s'avérer extrêmement néfaste pour un modèle, et cela peut poser problème si on change d'application, mais aussi si on passe à une autre version d'une même application. La solution proposée ici est l'exportation native vers un format de données ayant un bon niveau de maintenance et d'utilisation qui permettra de favoriser sa pérennité. Le format qui a été choisi pour cette fonction est le Portable Document Format, avec inclusion de modèles en trois dimensions (PDF 3D). Les éléments 3D sont inclus dans le format Product Representation Compact (PRC), car ce format est compatible avec la norme ISO 10303 (Standard for the Exchange of Product model data, STEP) qui est au cœur de beaucoup de modélisations BREP, dont celle de la librairie Pirate.

Abstract

This master thesis addresses some of the problems encountered during the first design stages of engineered object related to fluid mechanics. More precisely, we will focus on the problems that can be encountered in the early modeling and simulations of hydroelectric turbines. During the first steps of design, a mathematical model of the engineered item is realized in order to evaluate its properties in simulations, and without building a prototype. The methodology used to build those models is generally based on the boundary representation (BREP) rules : Volumes are defined through the faces that delimit them; faces are defined through a geometric support (a surface) and through the edges that delimit them and so on. BREP models generally use parametric curves and surfaces (and Non Uniform Rational B-Spline (NURBS) in most cases). This type of models allows a great complexity in geometries while keeping reasonably simple mathematical entities, and thus reasonably low computing time in simulations or graphic rendering. But the simplification of models implied by BREP results in approximations, which lead to small gaps or overlaps near the border of the entities (e.g. between two faces of a shell). In order to solve those small errors, the Pirate library and its software suite use topology to identify which entities are connected. But this isn't sufficient, if two surfaces are declared connected, but are separated by a non negligible gap, errors can appear later in the design process, often with bad quality meshes and simulation results. The beginning of this master thesis will treat the methods used to find and highlight the errors in BREP models and meshes, and particularly how they have been implemented in TopoVisu. The second main aspect of this work is to treat the errors at their source. Most of the errors in BREP models and meshes are generated when data is transferred, either to another CAD application, or to a more recent version of the same software. The solution proposed in TopoVisu is to natively export data to a highly maintained, widespread file format, which has a good chance to stay viable in the future. The format we chose is the Portable Document Format (PDF) with 3D models included in Product Representation Compact (PRC) format. This choice is based upon the ISO-10303 standard (Standard for the Exchange of Product model data, STEP) compatibility of the PDF 3D format, this standard being at the heart of most CAD engines, including the Pirate library.