Analyse fonctionnelle et structurelle : diagrammes d'ingénierie système, chaînes d'information et de puissance : cours, méthodes et exercices corrigés

TSI 1
Offert à l'essai

Système, besoin et fonctions de service, cahier des charges et exigences, cycle de vie et développement durable ; diagrammes d'exigences, de cas d'utilisation, de définition de blocs et de blocs internes à lire, compléter ou créer, diagramme d'états simple et diagramme de séquence en lecture ; partie commande et partie opérative, chaîne d'information et chaîne d'énergie, constituants et transmetteurs vus du mécanicien, variables potentielles et de flux, rendement d'une chaîne et choix qualitatif d'un constituant ; écarts entre performances attendues, simulées et mesurées, sur des systèmes réels de la TSI marocaine.

18méthodes
30exercices corrigés
5problèmes
32pièges
176figures

Les nombres sont ceux du chapitre complet ; chaque filière voit la partie qui correspond à son programme.

Ce que tu sauras faire

Un arbre qui enroule un film plastique dans une usine de tuyaux, un cric qui soulève une voiture, une presse d'atelier, un pont roulant : avant de calculer une vitesse ou un effort, le mécanicien doit savoir à quoi sert le système, ce qu'il doit garantir et à quel niveau, avec qui il échange, de quoi il est fait, comment l'énergie le traverse depuis la source jusqu'à la pièce qui travaille, et comment il se comporte. C'est l'analyse fonctionnelle et structurelle. Les sujets de génie mécanique du concours marocain s'ouvrent presque tous sur ces diagrammes, demandent souvent de compléter une chaîne d'énergie, et se terminent par une phrase qui compare un résultat à une exigence. À la fin du chapitre, tu dois savoir :

décrire le besoin : fonction globale, fonctions de service, critères, niveaux et flexibilités du cahier des charges fonctionnel ;
lire, compléter et créer, avec la syntaxe fournie, un diagramme des exigences, des cas d'utilisation, de définition de blocs et de blocs internes ; créer un diagramme d'états simple ; lire un diagramme de séquence ;
situer un produit dans son cycle de vie et faire le bilan carbone d'un produit simple ;
nommer la nature d'un flux et ses deux grandeurs, la variable potentielle et la variable de flux, dont le produit est une puissance ;
construire la chaîne d'information et une chaîne d'énergie d'un système, et dire le rôle de chaque constituant, transmetteurs compris ;
calculer la puissance sur un lien et le rendement global d'une chaîne en régime permanent ;
définir les écarts entre performances attendues, simulées et mesurées, et conclure sur une exigence.

L’essentiel du chapitre Extrait gratuit

Un extrait de la fiche « L'essentiel » du chapitre. Les démonstrations sont dans le cours détaillé.

À retenir Système, besoin, cahier des charges

Système : éléments en interaction, délimités par une frontière ; le reste est le milieu extérieur (personnes, autres systèmes, énergie, matière d'œuvre, environnement). La frontière est un choix de l'étude.
Matière d'œuvre : ce sur quoi agit le système ; valeur ajoutée : état final moins état initial. Fonction globale : un verbe à l'infinitif et un complément.
Fonction de service : vue de l'extérieur ; principale (relie deux éléments du milieu extérieur) ou contrainte. Fonction technique : interne, choisie par le concepteur.
Exigence : Id, texte, critère, niveau (valeur, unité, sens : maxi, mini), flexibilité. Bonne exigence : vérifiable, chiffrée, sans solution technique.

À retenir Les trois analyses et les six diagrammes (TSI1 génie mécanique)

Analyse	Diagramme	Question	Statut
fonctionnelle	req	Que doit satisfaire le système, à quel niveau ?	lire, compléter, créer
fonctionnelle	uc	À quoi sert-il, pour qui ?	lire, compléter, créer
structurelle	bdd	De quoi est-il composé ?	lire, compléter, créer
structurelle	ibd	Quels flux circulent entre ses parties ?	lire, compléter, créer
comportementale	stm	Dans quels états, qu'est-ce qui le fait changer ?	créer sur cas simples
comportementale	sd	Dans quel ordre se font les échanges ?	lecture seulement

La syntaxe est toujours fournie. Hors programme : diagrammes d'activité, de paquetage, paramétrique ; produire un ancien outil (bête à cornes, pieuvre, FAST, SADT).

À retenir Relations à reconnaître

Relation	Symbole	Sens
contenance	trait plein, $\oplus$ côté composé	décomposition d'une exigence
«refine»	pointillé, tête ouverte	de l'exigence qui précise vers l'exigence précisée
«deriveReqt»	pointillé, tête ouverte	de l'exigence dérivée (choix de conception) vers la source
«satisfy»	pointillé, tête ouverte	du bloc vers l'exigence
«include»	pointillé, tête ouverte	du cas de base vers le cas inclus (toujours)
«extend»	pointillé, tête ouverte	du cas d'extension vers le cas de base (sous condition)
composition	losange plein côté composé	« est composé de »
agrégation	losange vide	fait partie, peut exister seul

À retenir Cycle de vie

Étapes : extraction, fabrication, transport et distribution, utilisation, fin de vie.
Transport : $E = m\,d\,f$ (t, km, gCO2 par t·km) ; bilan d'un produit simple : somme des étapes.
Trois piliers : social, économique, environnemental. ACV : produit simple ou partie d'un système.

Une méthode du chapitre Extrait gratuit

Méthode Lire la présentation d'un sujet et relever les exigences chiffrées

Quand l’utiliser

Au début de l'épreuve et au début de chaque partie : l'énoncé présente un système, puis un diagramme des exigences ou un tableau de cahier des charges.

Rappel de cours

Une exigence a un Id, un texte, un critère, un niveau (valeur, unité, sens de la comparaison) et parfois une flexibilité. Chaque partie d'un sujet vérifie une ou plusieurs exigences, sur un sous-système précis.

Démarche

Lire la présentation du système (une quinzaine de minutes pour tout le sujet) : à quoi il sert, qui l'utilise, quelle chaîne d'énergie le sujet étudie.
Dans le diagramme des exigences ou le tableau, surligner chaque niveau chiffré et noter son Id.
Pour chaque partie du sujet, repérer l'exigence qu'elle vérifie et le sous-système concerné.
Recopier au brouillon un tableau « Id, critère, niveau, partie qui le vérifie ».
Repérer les documents réponses à rendre, même vides.

Rédaction type

« La partie 2 vérifie l'exigence 1.1.1 : effort d'extraction produit par l'utilisateur, 100 N maxi. »

Exemple traité

Arbre d'extraction de film : 1.1.1, effort d'extraction de l'utilisateur, 100 N maxi ; fréquence de rotation de l'arbre, entre 150 et 300 tr/min ; masse des rouleaux, 8 kg maxi ; 1.1.5, énergie, 400 V triphasé 50 Hz ; 1.1.7, temps de démontage, 8 min maxi. La partie du sujet qui calcule l'effort de l'utilisateur vérifiera la première ligne ; celle qui étudie le réducteur prépare le choix du moteur qui entraîne l'arbre en rotation (exigence 1.1.1.1).

Erreurs fréquentes

Commencer les calculs sans avoir relevé les niveaux : on ne sait plus ensuite à quoi comparer.
Oublier une moitié du niveau : une fréquence de rotation se lit avec son minimum et son maximum.
Oublier l'unité ou le sens (« maxi », « mini ») du niveau.

Pour s’entraîner

Exercices 18, 19 et 27 ; problèmes 1, 2 et 4.

Un exercice corrigé Extrait gratuit

Exercice Matière d'œuvre, fonction globale et valeur ajoutée de quatre systèmes ★☆☆

Pour une bouilloire électrique, un lave-linge, un cric hydraulique et un ascenseur d'immeuble, donner :

la matière d'œuvre entrante et sa nature (matière, énergie ou information) ;
la matière d'œuvre sortante ;
la valeur ajoutée ;
la fonction globale, avec un verbe à l'infinitif.

Indications

Méthode 2. La matière d'œuvre est ce sur quoi le système agit ; elle est extérieure au système. L'utilisateur qui commande et l'énergie consommée ne sont pas la matière d'œuvre, sauf si le système agit sur eux.

Correction détaillée

Système	Entrante	Sortante	Valeur ajoutée	Fonction globale
Bouilloire	eau froide (matière)	eau chaude	élévation de température	chauffer l'eau
Lave-linge	linge sale (matière)	linge propre et essoré	propreté	laver le linge
Cric hydraulique	véhicule au sol (matière)	véhicule soulevé	changement de hauteur	soulever un véhicule
Ascenseur	personnes à un étage	personnes à un autre étage	changement de position	déplacer les personnes entre les étages

L'utilisateur qui appuie sur le bouton de la bouilloire donne une consigne, il n'est pas la matière d'œuvre. L'électricité non plus : c'est l'énergie qui permet d'apporter la valeur ajoutée. Pour le cric, l'utilisateur fournit l'énergie par le levier, mais c'est le véhicule qui change d'état. Pour l'ascenseur, les personnes sont bien la matière d'œuvre, car c'est leur position que le système change.

Méthodes à retenir

Matière d'œuvre sortante = matière d'œuvre entrante + valeur ajoutée. La fonction globale se dit avec un verbe d'action et la matière d'œuvre : « soulever un véhicule ». Méthode 2.

Dans le chapitre complet

Le cours détaillé, toute la fiche « L'essentiel », 18 méthodes, 32 pièges corrigés, la carte mentale, 30 exercices corrigés, 5 problèmes de concours, les fiches à mémoriser et l'assistant qui répond à tes questions. Ce chapitre est offert : il s’ouvre en entier avec un compte d’essai gratuit.

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Plan du cours

1. Système et analyse du système
- 1.1 Système, frontière, milieu extérieur
- 1.2 Analyse fonctionnelle, structurelle et comportementale
2. Besoin et cahier des charges fonctionnel
- 2.1 Besoin, fonction globale, matière d'œuvre
- 2.2 Fonctions de service
- 2.3 Domaines d'application, critères technico-économiques, contraintes
- 2.4 Cahier des charges fonctionnel : critère, niveau, flexibilité
- 2.5 Lire un ancien outil
3. Exigences et diagramme des exigences
4. Frontière d'étude, contexte et cas d'utilisation
- 4.1 Isoler un système
- 4.2 Le diagramme de contexte
- 4.3 Le diagramme des cas d'utilisation
5. Cycle de vie et développement durable
- 5.1 Le cycle de vie
- 5.2 Impact environnemental et sociétal, trois piliers
6. Architecture structurelle : diagrammes de blocs
- 6.1 Le diagramme de définition de blocs
- 6.2 Le diagramme de blocs internes
- 6.3 Créer un diagramme avec la syntaxe fournie
7. Flux et grandeurs
- 7.1 Nature des flux
- 7.2 Variable potentielle et variable de flux
- 7.3 Homogénéité et compatibilité entre constituants
8. Partie commande, partie opérative, architecture fonctionnelle
9. Chaînes d'information et chaînes d'énergie
- 9.1 Chaîne fonctionnelle
- 9.2 Relations entre les deux chaînes
- 9.3 La chaîne à onze fonctions
- 9.4 Une seule chaîne d'énergie, le domaine de l'étude
- 9.5 Lire une chaîne dans un diagramme, du système réel à la chaîne
10. Les constituants de la chaîne d'énergie, vus du mécanicien
- 10.1 Alimenter, et stocker
- 10.2 Distribuer ou moduler : le préactionneur
- 10.3 Convertir : l'actionneur
- 10.4 Agir : l'effecteur
- 10.5 Exemple complet : la chaîne d'énergie du cric hydraulique
11. Transmetteurs de puissance
- 11.1 Rôle
- 11.2 Les sept transmetteurs du programme
- 11.3 Réversibilité
- 11.4 Ce qui n'est pas un transmetteur
- 11.5 Regard historique : les machines élévatrices d'eau d'al-Jazari
12. Puissance le long d'une chaîne et rendement
- 12.1 Puissance sur chaque lien
- 12.2 Rendement d'un constituant et d'une chaîne
- 12.3 Justifier qualitativement le choix d'un constituant
13. Le comportement : états et séquence
- 13.1 Le diagramme d'états
- 13.2 Le chronogramme
- 13.3 Le diagramme de séquence
14. Les écarts
- 14.1 Trois réalités, trois performances
- 14.2 Définir et identifier les écarts
15. Relier les diagrammes, conclure, répondre sur le document réponse
- 15.1 La traçabilité
- 15.2 Conclure sur une exigence
- 15.3 Répondre sur un document réponse

Les méthodes du chapitre

Chaque méthode est une fiche : quand l'utiliser, le rappel de cours, les étapes, la rédaction attendue sur la copie, un exemple traité, les erreurs à éviter.

Lire la présentation d'un sujet et relever les exigences chiffrées
Décrire le besoin : fonction globale, matière d'œuvre, fonctions de service
Lire un ancien outil et le traduire en diagrammes SysML
Lire et compléter un diagramme des exigences
Définir la frontière d'étude, lire et compléter un diagramme de contexte
Lire, compléter ou créer un diagramme des cas d'utilisation
Situer un produit dans son cycle de vie et faire son bilan carbone
Lire, compléter ou créer un diagramme de définition de blocs
Lire, compléter ou créer un diagramme de blocs internes et qualifier chaque flux
Caractériser un flux : variable potentielle, variable de flux, puissance, compatibilité
Distinguer partie commande et partie opérative, associer fonctions techniques et constituants
Construire la chaîne d'information et une chaîne d'énergie
Répondre sur un document réponse : chaîne fonctionnelle ou diagramme SysML
Identifier un transmetteur : mouvements, réversibilité, domaine d'application
Identifier les constituants sur le système réel, sa photo ou son schéma
Écrire la puissance sur chaque lien et calculer le rendement global d'une chaîne
Lire, compléter ou créer un diagramme d'états simple ; lire un diagramme de séquence
Définir et identifier les écarts S-L, L-C, S-C, puis conclure sur une exigence

Les exercices corrigés

Chaque exercice a ses indications, sa correction rédigée et ce qu'il faut en retenir.

Application directe (12)

Matière d'œuvre, fonction globale et valeur ajoutée de quatre systèmes
Les fonctions de service d'une direction assistée électrique
La sécurité d'un robot médical
Les cas d'utilisation d'un lave-linge
Le cycle de vie d'une bouilloire
Le robot viticole
Les flux d'un système d'orientation de miroirs
Moteur, compresseur, réservoir : variables potentielle et de flux
Les constituants d'une voiture radiocommandée
Le tableau des transmetteurs
Cinq distributeurs à désigner
Attendu, simulé, mesuré : nommer les écarts

Entraînement (14)

La direction assistée électrique : de la chaîne d'assistance à l'ibd
Le frein à manque de courant : du FAST au diagramme de définition de blocs
L'aérogénérateur : de l'actigramme A-0 au contexte et à la chaîne
La porte automatique d'un magasin
Le distributeur de barres
Le robot enjambeur : diagramme de blocs contre exigences
Le chariot élévateur : lire un diagramme des exigences et conclure sur la vitesse
La chaîne d'énergie d'un scooter
Le circuit d'un transpalette
La presse pneumatique à sertir : créer le diagramme d'états
Le scénario d'un cycle de capsulage
Le vibreur d'olivier : puissance sur chaque lien et rendement
Le rendement d'un réducteur à six éléments
La chaîne à quinze cases du robot de la vigne

Approfondissement (4)

Le stabilisateur d'un robot de bâtiment : de l'exigence au calcul
Le poste de mise en carton : créer, puis construire la chaîne
L'ascenseur incliné
Trouver l'erreur : variables potentielle et de flux d'une table de radiologie

Les problèmes de concours

Des extraits de sujets réels, corrigés en entier, avec la durée conseillée et les méthodes mobilisées.

Le scanner 3D
CNC 2024, filière TSI, Génie mécanique, question 2 (chaîne fonctionnelle, DR2), partie B « Dimensionnement des actionneurs », questions 9, 10 et 14, partie C « Étude statique de la solution de guidage en translation », question 18, et annexe 1 (diagramme des exigences)
Le déambulateur robotisé
CNC 2021, filière TSI, Génie mécanique, présentation (diagramme de définition de blocs et diagramme des cas d'utilisation) et partie I « Mode assistance à la verticalisation », sous-partie 1.3 « Étude du vérin électrique », questions 27 à 30 (DR2)
Le broyeur à cisailles et son fouloir
CNC 2020, filière TSI, Génie mécanique, présentation (diagramme des cas d'utilisation) et partie I « Modélisation dynamique du fouloir », sous-partie 1.2 « Caractérisation du circuit hydraulique du fouloir », questions 9 et 11 (DR1)
L'impression 3D de béton
CNC 2019, filière TSI, Génie mécanique, partie 1 « Étude préliminaire », questions 1-1 à 1-3 (DR1), et partie 4 « Entraînement de la pompe péristaltique », questions 4-1, 4-3 à 4-5
Une résidence et son bilan carbone
Centrale-Supélec 2025, filière TSI, Sciences industrielles de l'ingénieur, partie A « Calcul du PRC lié à la construction », questions Q1 à Q3

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