Analyse fonctionnelle et structurelle

L'intuition

Imagine que tu dois préparer un repas pour ta famille. Avant même de penser aux ingrédients ou à la recette, tu te poses des questions essentielles : Pour qui est ce repas ? (Tes parents, tes frères et sœurs ?). Quel est l'objectif ? (Un repas quotidien, une occasion spéciale ?). Et enfin, qu'est-ce que tu vas transformer ? (Des légumes, de la viande, du poisson ?).

En Sciences de l'Ingénieur, c'est la même logique. Quand tu étudies un système technique (une machine, un robot, un véhicule), la première chose à faire est de comprendre son "pourquoi" et son "comment". C'est ça, l'analyse fonctionnelle et structurelle : décortiquer le système pour savoir à quoi il sert, comment il fonctionne, et de quoi il est fait. Cette compréhension est fondamentale pour pouvoir ensuite l'analyser, le modifier, ou même le concevoir.

Le cours

L'analyse fonctionnelle et structurelle est la pierre angulaire de l'étude des systèmes pluritechnologiques. Elle permet de définir le besoin auquel un produit répond, ses fonctions, et les solutions techniques qui les réalisent. Elle est essentielle pour analyser et modéliser un système, compétences clés évaluées à l'examen.

1. Analyse fonctionnelle externe : Le besoin du produit

Cette phase vise à exprimer clairement le besoin que le produit doit satisfaire.

a. L'outil "Bête à Cornes"

C'est l'outil initial pour formaliser le besoin. Il se présente sous la forme d'un diagramme simple qui répond à trois questions fondamentales :

• À qui rend-il service ? (L'utilisateur, un autre système, l'environnement...)
• Sur quoi agit-il ? (La matière d'œuvre transformée, l'objet de l'action, l'environnement modifié...)
• Dans quel but ? (La finalité, la valeur ajoutée, le résultat attendu de l'action du produit...)

Exemple d'annale : Système d'empilement automatique de portes

• À qui rend-t-il service ? L'opérateur
• Sur quoi agit-il ? Portes isoplanes
• Dans quel but ? Ranger automatiquement les portes isoplanes en piles selon leurs dimensions.

Cet outil permet d'analyser le besoin initial et de le formuler de manière concise.

b. Le diagramme des interactions (Diagramme Pieuvre)

Le diagramme Pieuvre permet d'identifier et de formuler les fonctions de service (FS) du produit en le plaçant dans son environnement. Il met en évidence les interactions entre le produit et les éléments de son milieu extérieur.

• Milieu extérieur : L'ensemble des éléments (personnes, autres systèmes, énergie, informations, contraintes réglementaires, etc.) avec lesquels le produit interagit.
• Fonction principale (FP) : C'est la raison d'être du produit. Elle exprime le service rendu à l'utilisateur et justifie l'existence du produit. Une FP relie généralement le produit à au moins deux éléments du milieu extérieur.
• Fonction contrainte (FC) : Elle décrit les adaptations ou les exigences que le produit doit respecter vis-à-vis d'un élément du milieu extérieur. Cela peut concerner la sécurité, l'esthétique, l'énergie, les normes, l'environnement, etc.

Méthode pour construire un diagramme Pieuvre :

1. Placer le produit au centre du diagramme.
2. Lister tous les éléments du milieu extérieur avec lesquels le produit interagit.
3. Tracer une liaison (un trait) entre le produit et chaque élément extérieur.
4. Pour chaque liaison, formuler la fonction de service (FP ou FC) correspondante. Les fonctions sont toujours formulées avec un verbe à l'infinitif et un complément.

Exemple d'annale : Mécanisme de déroulage de la tôle

• FP1 : Permettre à l'utilisateur de charger une bobine à l'aide des équipements de manutention.
• FC2 : Assurer le maintien latéral de la bobine et s'opposer au retour élastique.
• FC3 : Respecter les normes et les réglementations.
• FC4 : Permettre le pilotage par une centrale de commande.
• FC5 : Être alimenté en énergie hydraulique.
• FC6 : Être alimenté en énergie électrique.
• FC7 : Surveiller l'évolution du processus avec des caméras.

Ces fonctions de service sont la base de la conception et de l'évaluation du système.

2. Analyse fonctionnelle interne : Le fonctionnement du produit

Cette phase décrit comment le produit réalise ses fonctions de service.

a. Le diagramme SADT (Structured Analysis and Design Technique)

Le SADT est un outil graphique puissant pour modéliser les fonctions d'un système et les flux de matières, d'énergie et d'informations. L'actigramme A-0 est le niveau le plus abstrait et représente la fonction globale du système.

• Actigramme A-0 :
  • Matière d'œuvre (MO) : Ce qui entre dans le système (MOE) et ce qui en ressort (MOS) après transformation. La différence entre MOE et MOS représente la valeur ajoutée du système.
  • Données de contrôle (C) : Les informations, ordres, réglages, paramètres qui pilotent le fonctionnement du système.
  • Moyens de mise en œuvre (R) : Les ressources nécessaires au fonctionnement (énergie, personnel, outils, etc.).

Exemple d'annale : Actigramme A-0 de la ligne de fabrication des étagères

• Matière d'œuvre entrée : Bobine de tôle, Renfort
• Matière d'œuvre sortie : Étagère finie, Chutes
• Données de contrôle : Ordres opérateur (C)
• Moyens de mise en œuvre : Énergie (R)
• Valeur ajoutée : Mettre en forme des étagères métalliques

Le SADT permet de visualiser la fonction globale et ses interactions avec l'extérieur, posant les bases pour une décomposition plus fine.

b. Le diagramme FAST (Function Analysis System Technique)

Le diagramme FAST est un outil d'analyse fonctionnelle descendante qui permet de décomposer une fonction de service (FS) en fonctions techniques (FT), puis d'identifier les solutions constructives (SC) qui les réalisent. Il répond aux questions :

• "Comment ?" pour passer d'une fonction de niveau supérieur à des fonctions de niveau inférieur.
• "Pourquoi ?" pour remonter des solutions constructives aux fonctions qu'elles réalisent.

Structure du FAST :

• Fonction de Service (FS) : Ce que le produit doit faire pour l'utilisateur (issue du Pieuvre).
• Fonction Technique (FT) : Ce que le produit doit faire pour assurer la FS. Une FS est réalisée par une ou plusieurs FT.
• Solution Constructive (SC) : Les composants, principes physiques, ou technologies qui réalisent une FT.

Exemple d'annale : Diagramme FAST relatif à la fonction principale FP1

• FP1 : Guider la plate-forme supérieure par rapport au châssis de la remorque.
  • Comment ? En Autoriser les degrés de liberté désirés (FT)
    • Par quoi ? Système articulé, compas (SC)
  • Comment ? En Supporter les actions mécaniques lors du chargement (FT)
    • Par quoi ? Matériaux et dimension des pièces (SC)
  • Comment ? En Contrôler le mouvement de la plate-forme par rapport au châssis de la remorque (FT)
    • Par quoi ? Pompe hydraulique, Vérin double effet (SC)

Le FAST est crucial pour passer du besoin abstrait aux solutions techniques concrètes, permettant ainsi de modéliser la structure du système.

3. Chaînes fonctionnelles : Énergie et Information

Ces chaînes décrivent les flux physiques et logiques au sein du système, permettant d'analyser son fonctionnement en détail. Elles sont fondamentales pour l'étude de l'automatisme, de l'électronique et de la mécanique.

a. Chaîne d'énergie

Elle décrit le parcours de l'énergie à travers le système, depuis sa source jusqu'à l'action finale sur la matière d'œuvre.

Structure typique de la chaîne d'énergie :

1. Alimenter : Source d'énergie (électrique, hydraulique, pneumatique, thermique...).
2. Distribuer : Composants qui acheminent l'énergie vers les actionneurs (contacteurs, distributeurs, vannes...).
3. Convertir : Composants qui transforment l'énergie d'une forme à une autre (moteurs électriques, vérins, pompes...).
4. Transmettre : Composants qui adaptent et transmettent le mouvement ou l'effort (réducteurs, engrenages, poulies-courroies, arbres...).
5. Agir : Composants qui réalisent l'action finale sur la matière d'œuvre (préhenseurs, outils, galets...).

Exemple de chaîne d'énergie (simplifiée) :

b. Chaîne d'information

Elle décrit le parcours des informations au sein du système, depuis l'acquisition des données jusqu'à la communication des ordres aux actionneurs. Elle est au cœur de l'automatisme et du traitement de l'information.

Structure typique de la chaîne d'information :

1. Acquérir : Capteurs qui mesurent des grandeurs physiques (position, vitesse, température, pression...).
2. Traiter : Unité de traitement qui interprète les informations et prend des décisions (microcontrôleur, API, carte électronique...).
3. Communiquer : Composants qui transmettent les ordres aux actionneurs et les informations à l'utilisateur (préactionneurs, afficheurs, voyants...).

Exemple de chaîne d'information (simplifiée) :

Ces deux chaînes sont interdépendantes et permettent une analyse complète du fonctionnement du système, notamment pour la modélisation des systèmes asservis et la validation des performances.

Exemple résolu

Reprenons un extrait d'annale pour illustrer l'application de ces concepts.

SITUATION D'ÉVALUATION 1 : Tâche 1.1 : Analyse fonctionnelle

a. Compléter l'actigramme A-0 de la ligne de fabrication des étagères :

Correction :

• Matière d'œuvre entrée : Bobine de tôle, Renfort
• Matière d'œuvre sortie : Étagère finie, Chutes
• Données de contrôle (C) : Ordres opérateur
• Moyens de mise en œuvre (R) : Énergie
• Fonction globale : Mettre en forme des étagères métalliques

b. Compléter le diagramme des interactions suivant et le tableau des fonctions de service du mécanisme de déroulage de la tôle :

Correction :

• FP1 : Permettre à l'utilisateur de charger une bobine à l'aide des équipements de manutention.
• FC2 : Assurer le maintien latéral de la bobine et s'opposer au retour élastique.
• FC3 : Respecter les normes et les réglementations.
• FC4 : Permettre le pilotage par une centrale de commande.
• FC5 : Être alimenté en énergie hydraulique.
• FC6 : Être alimenté en énergie électrique.
• FC7 : Surveiller l'évolution du processus avec des caméras.

c. Compléter le diagramme FAST relatif à la fonction "Déplacer horizontalement l’ensemble mobile suivant l’axe X" :

Cet exemple n'est pas fourni dans les figures, mais la méthode est la suivante :

Fonction de Service (FS) : Déplacer horizontalement l'ensemble mobile suivant l'axe X.

• Comment ? (FT1) Générer un mouvement de translation.
  • Par quoi ? (SC1) Moteur électrique + Réducteur + Système pignon-crémaillère.
• Comment ? (FT2) Guider l'ensemble mobile en translation.
  • Par quoi ? (SC2) Rails de guidage + Galets.
• Comment ? (FT3) Assurer la sécurité du déplacement.
  • Par quoi ? (SC3) Capteurs de fin de course + Arrêts mécaniques.

Cet exemple montre comment les outils d'analyse fonctionnelle sont utilisés pour modéliser et comprendre un système, étape essentielle avant tout calcul ou validation de performance.

La méthode

Pour réussir les questions d'analyse fonctionnelle et structurelle, suis ces étapes rigoureuses :

1. Lire attentivement le dossier technique : C'est la source de toutes les informations. Repère le principe de fonctionnement, les schémas, les descriptions.
2. Identifier le besoin (Bête à Cornes) :
   • Pose-toi les trois questions : À qui rend service ? Sur quoi agit ? Dans quel but ?
   • Formule des réponses concises et précises, en utilisant les termes du dossier.
3. Analyser les interactions (Diagramme Pieuvre) :
   • Place le produit au centre.
   • Liste tous les éléments extérieurs mentionnés ou implicites (utilisateur, énergie, environnement, normes, autres systèmes...).
   • Trace les liaisons.
   • Formule chaque fonction (FP ou FC) avec un verbe à l'infinitif. Une FP relie au moins deux éléments extérieurs, une FC est une contrainte vis-à-vis d'un élément.
4. Décrire la fonction globale (SADT A-0) :
   • Identifie la matière d'œuvre en entrée (MOE) et en sortie (MOS).
   • Détermine la valeur ajoutée (transformation de la MOE en MOS).
   • Repère les données de contrôle (C) : ordres, réglages, informations de pilotage.
   • Identifie les moyens de mise en œuvre (R) : énergie, ressources humaines, etc.
5. Décomposer les fonctions (FAST) :
   • Part d'une fonction de service (FS) ou d'une fonction technique (FT) donnée.
   • Pose la question "Comment cette fonction est-elle réalisée ?" pour trouver les fonctions de niveau inférieur (FT).
   • Pose la question "Par quoi cette fonction est-elle réalisée ?" pour trouver les solutions constructives (SC).
   • Assure-toi que les fonctions sont formulées avec des verbes à l'infinitif.
6. Identifier les chaînes fonctionnelles (Énergie / Information) :
   • Pour la chaîne d'énergie : suis le flux de l'énergie (Alimenter $\rightarrow$ Distribuer $\rightarrow$ Convertir $\rightarrow$ Transmettre $\rightarrow$ Agir).
   • Pour la chaîne d'information : suis le flux de l'information (Acquérir $\rightarrow$ Traiter $\rightarrow$ Communiquer).
   • Associe les composants du système à chaque bloc de la chaîne.

Pièges classiques

Voici les erreurs fréquentes qui coûtent des points :

• Formulation incorrecte des fonctions : Toujours utiliser un verbe à l'infinitif.
  • Mauvais : "Sécurité de l'opérateur"
  • Bon : "Assurer la sécurité de l'opérateur" (FC)
• Confondre FP et FC : Une FP est la raison d'être du produit et relie plusieurs éléments. Une FC est une contrainte ou une adaptation.
  • Exemple : "Être alimenté en énergie électrique" est une FC, pas une FP.
• Diagramme Pieuvre incomplet : Oublier des éléments du milieu extérieur (normes, environnement, opérateur, énergie...).
• Actigramme A-0 mal rempli : Inverser MOE et MOS, oublier les données de contrôle ou les moyens de mise en œuvre.
• FAST illogique : Ne pas respecter la logique "Comment ?" et "Pourquoi ?". Les fonctions doivent être des actions, les solutions des éléments concrets.
• Manque de précision : Des réponses trop vagues ne rapportent pas tous les points. Sois précis et utilise les termes techniques du dossier.
• Ne pas lire le dossier : La plupart des informations nécessaires sont dans le dossier technique. Ne pas le consulter attentivement mène à des erreurs ou des omissions.

Ce qui tombe à l'examen

L'analyse fonctionnelle et structurelle représente environ 25% de la note finale, ce qui est significatif. Les questions sont généralement directes et visent à vérifier ta capacité à analyser et modéliser un système.

Formats de questions réels et barème :

• Compléter un diagramme "Bête à cornes" : (1 à 2 points)
  • Tu dois identifier à qui le produit rend service, sur quoi il agit et dans quel but. Les réponses sont souvent des phrases courtes.
• Compléter un diagramme Pieuvre et un tableau de fonctions de service : (2 à 4 points)
  • On te demande de placer des éléments manquants sur le diagramme et de formuler les FP et FC correspondantes dans un tableau. La formulation correcte est cruciale.
• Compléter un actigramme A-0 (SADT) : (1.5 à 3 points)
  • Tu devras identifier la matière d'œuvre (entrée/sortie), les données de contrôle et les moyens de mise en œuvre.
• Compléter un diagramme FAST : (2 à 4 points)
  • À partir d'une fonction donnée, tu devras la décomposer en fonctions techniques et/ou identifier les solutions constructives associées.
• Identifier des éléments de chaînes d'énergie ou d'information : (1 à 2 points)
  • Associer des composants à des blocs fonctionnels (ex: moteur = convertir, capteur = acquérir).

Conseils pour l'examen :

• Maîtrise les définitions : Connais par cœur la signification de FP, FC, MOE, MOS, C, R, FT, SC.
• Entraîne-toi à la formulation : Rédige toujours les fonctions avec un verbe à l'infinitif.
• Sois rigoureux : Chaque case, chaque flèche, chaque terme compte.
• Utilise les informations du dossier : Ne réinvente rien, tout est donné ou déductible du support.

Ces compétences sont la base pour aborder les autres domaines (mécanique, automatique, électronique) car elles permettent de comprendre le contexte et les objectifs du système avant d'en étudier les détails techniques ou de calculer ses performances.