En conception de systèmes mécaniques, la phase de cotation fonctionnelle consiste à affecter des cotes, constituées d’une valeur nominale et d’un intervalle de tolérance, à des dimensions de pièces. En particulier, l’analyse des tolérances consiste à vérifier que les intervalles de tolérance choisis permettent le respect de la fonctionnalité du mécanisme. A l’inverse, la synthèse des tolérances vise à déterminer ces intervalles de tolérance, si possible de manière optimale, permettant le respect des exigences fonctionnelles. Les approches statistiques traditionnelles, bien que très utiles en phase de préconception, ne sont pas capables d’estimer avec précision le risque de non qualité. Cette thèse aborde ces problèmes selon un angle de vue différent, non plus pour garantir le respect d’exigences fonctionnelles, mais pour garantir le Taux de Non-Conformité (TNC) du mécanisme. Il s’agit de la probabilité que l’exigence fonctionnelle ne soit pas respectée. Les méthodes fiabilistes, s’appuyant sur la théorie des probabilités, permettent un calcul précis et efficace de cet indicateur. L’objectif de cette thèse est d’explorer le domaine de l’analyse et de la synthèse des tolérances afin d’identifier et d’exposer les apports des méthodes fiabilistes sur ces problématiques. Dans ces travaux de thèse, différents outils fiabilistes sont mis à disposition permettant l’analyse des tolérances de tous types de mécanismes avec ou sans jeu. La théorie probabiliste permet une modélisation très complète des dimensions des pièces. En particulier, l’approche APTA (Advanced Probability-based Tolerance Analysis of products) est développée afin de prendre en compte l’évolution aléatoire de certains paramètres de modélisation, notamment les décalages de moyenne, responsables de fortes variations du TNC. L’analyse des tolérances étant plus complexe pour les mécanismes avec jeux, une méthodologie spécifique a été développée basée sur une décomposition en situations de points de contacts et l’utilisation d’une méthode fiabiliste système. Différents indices de sensibilité sont aussi proposés afin d’aider à identifier les cotes ayant le plus d’influence sur le TNC d’un mécanisme. Enfin, l’optimisation du coût de production, sous contrainte de TNC, permet une synthèse des tolérances optimale. Les gains potentiels en termes de coût dépassent 50% par rapport aux conceptions initiales tout en maitrisant le niveau de qualité du produit. Les sociétés RADIALL SA et VALEO Système d’Essuyages, concepteurs et fabricants de produits pour l’automobile et l’aéronautique, ont proposé des cas d’études sur lesquels est démontrée la pertinence des travaux effectués. Sur la base de ces travaux, Phimeca Engineering, spécialisée dans l’ingénierie des incertitudes, développe et commercialise un outil informatique professionnel. / To design mechanical systems, functional dimensioning and tolerancing consists in allocating a target value and a tolerance to part dimensions. More precisely, tolerance analysis consists in checking that chosen tolerances allow the mechanism to be functional. In the opposite, the tolerance synthesis goal is to determine those tolerances, optimaly if possible, such as functional requirements are respected. Traditional statistical approaches are very useful in pre-design phases, but are incapable of estimating precisely non-quality risks. This PhD thesis adresses this problem from a different point of view. The objective is no longer to respect functional requirements but to guarantee the Non-Conformity Rate (NCR) of the mechanism. It is the probability that the functional requirement is not respected. Reliability methods, based on probabilistic theory, allow a precise and efficient calculation of the NCR. The main goal of this thesis is to explore tolerance analysis and synthesis domains in order to identify potential contributions of reliability methods to these issues. In this work, different reliability tools are provided enabling tolerance analysis of all kind of mechanisms with or without gaps. The probability theory allows a detailed modeling of parts dimensions. In particular, the APTA (Advanced Probability-based Tolerance Analysis of products) approach is designed to take into account random variations of some parameters such as mean shifts which influence highly the NCR. As tolerance analysis is more complex for mechanisms with gaps, a specific method is designed based on a decomposition of contact points situations and the use of a reliability system method. Several sensitivity indexes are also proposed to identify the leading dimensions on the NCR. The optimization of the production cost, under a NCR constraint, enables an optimal tolerance synthesis. The potential benefits in terms of costs exceed 50% compared to initial designs while keeping under control quality levels of products. Companies RADIALL SA and VALEO Wiping Systems, designers and manufacturers of products for the automotive and aeronautic industries, have provided case studies on which is demonstrated the relevance of the presented work. Based on this work, the company Phimeca Engineering, specialized in uncertainties, is developing and commercializing a professional computer tool.

Les matériaux composites à matrice thermoplastique occupent de plus en plus un large domaine d'application grâce à leur aptitude à être recyclés et à être assemblés par fusion du polymère, encore appelée soudage. Parmi ces modes d'assemblage, le soudage laser propose de meilleures alternatives. Car, outre le fait qu'elle assure une meilleure tenue mécanique et un meilleur aspect esthétique, cette technique d'assemblage ne crée pas d'endommagement au sein du composite, à l'instar de certaines méthodes comme le rivetage, le vissage ou le boulonnage.L'objectif de ce travail est de proposer un modèle de rupture probabiliste de l'assemblage par faisceau laser d'un composite thermoplastique à fibres continues.Une description fine du matériau est d'abord effectuée par une approche multi-échelles dont le but était de pouvoir prédire le comportement macroscopique du composite de base connaissant les fluctuations locales de sa microstructure.La caractérisation mécanique de l'assemblage est ensuite effectuée par des essais multiaxiaux au moyen d'un dispositif spécifiques (Arcan-Mines) qui prend en compte l'état de confinement du joint soudé. Ce qui a permis de proposer un modèle de comportement élasto-plastique basé sur le critère de Drucker-Prager généralisé.Des tests par émission acoustique ont permis de faire l'hypothèse de l'existence d'un maillon faible au sein du joint soudé. La rupture est alors évaluée par le modèle statistique de Weibull. Un critère de rupture probabiliste basé sur le premier et le second invariant du tenseur des contraintes est finalement proposé. / Thermoplastic composite materials are more and more used in many fields of application as a result of their recyclability and their joining capabilities by polymer fusion, witch is called welding. Among these assembly types, the laser welding offers better alternatives. Because, beyond the high level mechanical strength and the good aesthetic appearance it provides, this assembly technique will not create damage within the composite material, like certain methods such riveting, drilling or bolting.The purpose of this study is to propose a probabilistic failure model of laser beam assembly of a continuous fibres thermoplastic composite.A detailed description of the material is first performed by a multi-scale approach, which was aiming to predict the macroscopic behaviour of the based composite knowing the local fluctuations of its microstructure.The mechanical characterisation of the assembly is then conducted through multi-axial tests using a special device (Arcan-Mines) which takes into account the confinement of the laser weld seam. This enables proposing a generalized Drucker-Prager élasto-plastic model.Acoustic emission tests allowed making the assumption of weak link model within the weld seam. The failure is then evaluated through the Weibull statistical model.Probabilistic failure criterion based on the first and the second invariants of stress tensor is finally proposed

Cette thèse est une contribution à l'analyse probabiliste des ponts métalliques ou mixtes en fatigue. Dans cette thèse, nous proposons des méthodes originales, pour calculer l'indice de fiabilité ß et évaluer la probabilité de ruine, basées respectivement sur le modèle d'endommagement linéaire de Miner et sur la loi de propagation de fissure de Paris à seuil, qui prennent en compte les aléas quantifiés sur les charges de trafic réel et sur la résistance déduite des essais de fatigue. L'application du théorème central limite permet des calculs analytiques explicites du dommage cumulé. La modélisation de l'avancement de fissure par processus Markovien simplifie les calculs de la distribution de probabilité. Un programme informatique est fait pour calculer l'intégrale J et pour déterminer le facteur d'intensité de contraintes.

Nous nous intéressons dans ce travail à la rupture en traction des matériaux composites unidirectionnels dans la perspective de leur utilisation comme câbles de précontrainte. Le comportement de type élastique-fragile de ces matériaux impose de prendre en compte l'aléa de résistance, afin de prédire les effets d'échelle. Pour étudier ce problème, nous avons simulé numériquement la rupture des composites unidirectionnels à l'aide d'un modèle mécanique à cinématique uniaxiale. Nous avons réalisé pour chaque géométrie un très grand nombre de simulations afin d'obtenir une statistique de rupture au voisinage des faibles résistances très précises. Nous avons étudié deux mécanismes d'endommagement, rupture des fils et décohésions entre fils (un fil peut être constitué d'une ou plusieurs fibres, sa section étant caractéristique de la finesse de discrétisation du modèle). Nous avons alors constaté qu'un effet d'échelle de longueur de type chaîne décrivait correctement nos simulations de rupture pour différentes longueurs dès que l'on pouvait négliger les effets d'extrémité et, d'un point de vue pratique, que la queue de distribution des faibles résistances n'obéit plus à une loi du type rupture de la structure au premier endommagement. L'extrapolation des courbes de distribution des résistances a permis de proposer le concept de résistance utile d'un jonc en acceptant une certaine probabilité de rupture. Cette résistance utile peut être très largement supérieure à celle utilisée actuellement en appliquant un coefficient de sécurité de 0,5 à la résistance moyenne. L'utilisation de ce concept de résistance utile pourrait alors réduire la quantité de matière et évidemment les coûts. Un autre apport du travail est issu de l'étude des effets d'échelle de section. Nous sommes en effet arrivés à démontrer que pour un usage donné (longueur, probabilité de rupture admissible), il existe une section optimale de jonc donnant la meilleure résistance utile.

La conception des ouvrages en Génie Civil se fait habituellement de manière semi-probabiliste en employant des valeurs caractéristiques auxquelles sont associées des facteurs partiels de sécurité. Toutefois, de telles approches ne permettent pas de garantir la robustesse de l’ouvrage conçu vis-à-vis des sources d’incertitudes susceptibles d’affecter ses performances au cours de sa réalisation et de son fonctionnement. Nous proposons dans ce mémoire une méthodologie d’aide à la décision pour la conception robuste des ouvrages qui est appliquée à une structure métallique reposant sur des fondations superficielles. La conception de cet ouvrage est conduite en intégrant le phénomène d’interaction sol-structure qui implique que les choix de conception faits sur la fondation influencent ceux faits sur la structure supportée (et réciproquement). La démarche de conception proposée fait appel à des outils d’optimisation multi-objectif et d’aide à la décision afin d’obtenir une solution qui offre le meilleur compromis entre l’ensemble des préférences énoncées par le décideur sur chaque critère de conception. Des analyses de sensibilité sont menées parallèlement dans le but d’identifier et de quantifier les sources d’incertitude les plus influentes sur la variabilité des performances de l’ouvrage. Ces sources d’incertitude représentées sous une forme probabiliste sont intégrées dans la procédure de conception et propagées à l’aide d’une méthode d’échantillonnage par hypercube latin. Une partie du mémoire est consacrée à l’analyse des effets de l’incertitude relative à la modélisation des paramètres géotechniques sur la réponse de l’ouvrage et sur la démarche plus globale d’optimisation. / Design in Civil Engineering is usually performed in a semi-probabilistic way using characteristic values which are associated with partial safety factors. However, this approach doesn’t guarantee the structure robustness with regard to uncertainties that could affect its performance during construction and operation. In this thesis, we propose a decision aid methodology for robust design of steel frame on spread foundations. Soil-structure interaction is taken into consideration in the design process implying that the design choices on foundations influence the design choices on steel frame (and vice versa). The proposed design approach uses multi-objective optimization and decision aid methods in order to obtain the best solution with respect to the decision-maker’s preferences on each criterion. Furthermore, sensitivity analyzes are performed in order to identify and quantify the most influencing uncertainty sources on variability of the structure performances. These uncertainties are modeled as random variables and propagated in the design process using latin hypercube sampling. A part of this dissertation is devoted to the effects of uncertainties involved in soil properties on the structure responses and on the design global approach.