La tendance actuelle des équipements électriques ferroviaires est une concentration de matériels dans des volumes de plus en plus faibles et pour des puissances de plus en plus élevées. Ce progrès est permis par des composants à fort rendement (IGBT) qui ont la caractéristique de générer des pertes harmoniques importantes dans les composants magnétiques, provoquant du bruit à forte composante tonale. En conséquence, les cahiers des charges deviennent de plus en plus drastiques et augmente la difficulté de conception optimale des transformateurs. C'est pourquoi il est nécessaire de développer des modèles multi-physiques afin d'intégrer les différents phénomènes tels que la thermique, le bruit ou les effets de la PWM. Cette thèse porte plus précisément sur le dimensionnement optimal des transformateurs et inductances présent dans les convertisseurs auxiliaires ferroviaires. L'intérêt de la mise en place une boucle d'optimisation sur un modèle multi-physique est montrée. Pour cela il est important de développer des modèles comportent un bon compromis entre le temps de calcul et la précision. Dans cette thèse seule les composants magnétiques refroidis par une ventilation forcée sont étudiés. Un modèle thermique 3D semi-analytique couplé avec un modèle électromagnétique est utilisé. Le choix de l'optimiseur s'est porté sur l'algorithme NSGA-II permettant d'effectuer des optimisations multi-objectifs (poids et pertes) en incluant des contraintes thermiques. Pour finir une étude de sensibilité est effectuée grâce à une méthode de plan d'expérience afin de juger de la robustesse des solutions optimales

Ce travail présente une méthodologie de Conception Optimale Intégrée (COI) d'un système éolien entièrement passif pour offrir un compromis coût- fiabilité - performance très satisfaisant. En l'absence d'électronique de puissance et de contrôle par MPPT, le dispositif n'est efficace que si l'adaptation des constituants est optimale. L'extraction de vent ainsi que les pertes globales du système sont donc optimisées à l'aide d'un algorithme génétique multicritère pour augmenter l'efficacité énergétique et minimiser la masse pour un profil de vent donné. La globalité du système(turbine – génératrice – redresseur - stockage) a été modélisée pour parvenir aux résultats d'optimisation et à la réalisation d'un prototype correspondant à une solution particulière. Les résultats obtenus montrent, d'une part, la cohérence entre modèles et expérience. D'autre part, il est possible, pour un profil de vent donné, d'obtenir une configuration optimale de l'ensemble génératrice – pont redresseur présentant des caractéristiques analogues à celles d'architectures « actives » plus complexes, associées à des lois de contrôle par MPPT. Suite à une analyse de sensibilité des performances aux paramètres, une de nos contributions concerne une approche de conception intégrant les questions de robustesse au sein même du processus d'optimisation.

Les robots parallèles à câbles sont une variante originale des robots parallèles. L'utilisation de câbles en lieu et place des segments rigides procure à ce type de robots un espace de travail potentiellement très grand car des longueurs importantes de câbles peuvent être déroulées. Toutefois, dans la plupart des études sur les robots à câbles, un modèle de câble sans masse non élastique est utilisé. Si dans le cas de robots de faibles dimensions soumis à de faibles efforts, ce modèle est valide, lorsque l'on considère des applications de très grande dimension pour lesquels la masse des câbles et l'élasticité ne peuvent plus être négligées, ces modèles simples ne sont plus valables. Ces travaux de thèse proposent des nouvelles méthodes d'étude des robots parallèles à câbles de grande dimension. Dans un premier temps, des tests de traction réalisés sur différents câbles permettent de proposer différents modèles élastiques. La modélisation d'un câble par une caténaire élastique est ensuite rappelée, et l'erreur importante obtenue en négligeant la masse des câbles est mise en exergue. La modélisation par caténaire élastique bien que précise, nécessite la résolution d'un système d'équations couplées non-linéaires. Un modèle simplifié de câble pesant est alors présenté. Il permet, sous l'hypothèse de faible déflection du câble, de simplifier la résolution de l'équilibre statique d'un robot à câble. Ce modèle permet également de développer des outils utiles à la détermination de l'ensemble des torseurs d'efforts admissibles à la plate-forme d'un robot parallèle à câbles. La vérification de l'inclusion de l'ensemble des torseurs nécessaires à la réalisation d'une tâche dans l'ensemble des torseurs admissibles est finalement utilisée comme critère d'optimisation pour une méthode de conception de robots à câbles de grandes dimensions. / Cable-driven robot is an original variation of parallel robots. Replacing rigid bodies by cables provides new capabilities to these robots, and particularly large-size workspaces, since long cable lengths can be deployed. In the literature, cables are usually supposed to be inextensible and massless. If this modeling is valid for small robots with moderate payloads, this cable model is not accurate enough to be used for large dimension cable-driven robots. The work presented here focuses on the modeling of such large cable robots. First, from a set of traction tests applied to various cables, elastic models are proposed. Then, the well-know elastic catenary model is recalled, and its effects on the modeling of large dimension cable robots is shown. However, when using this cable model, solving the platform static equilibrium require the resolution of a non-linear coupled equation system. Assuming a low sagging of the cable, some simplifications can be made to this model. The resulting simplified hefty cable model is then presented and the new expression of the static equilibrium is shown to be close to the one obtained with the massless cable model. Thus, it allows us to determine the set of admissible mobile platform wrenches at a given pose. By comparing this set to the set of required wrenches for a specific task a cost function is finally defined and used in a design procedure dedicated to large dimension cable-driven robots.

La conception des machines électriques a une longue tradition et l'approche " business as usual " est un processus itératif d'essais et d'erreur, certes convergent mais nécessairement stoppé prématurément, car trop couteux. Un perfectionnement récent a consisté à remplacer les prototypes et les maquettes par des prototypes virtuels, entièrement numériques, comme ceux fournis par la méthode des éléments finis. Néanmoins, le procédé s'arrête toujours sur une frustration car le concepteur n'est jamais sûr d'avoir exploré complètement l'espace de conception qui s'offre à lui. La démarche de conception optimale se propose d'améliorer ce processus en le guidant, c'est-à-dire en proposant une méthodologie, et en l'automatisant, c'est-à-dire en proposant des outils logiciels. Mais dans cette démarche apparaissent de nombreuses difficultés. Ainsi, les objectifs généraux de cette thèse sont multiples. Il s'agit de définir des problèmes d'optimisation spécifiques représentatifs des choix structurels et d'élaborer des benchmarks de référence : discret, multiphysique, multidisciplinaire, multi-objectif et multi-niveaux. Ensuite, il faut rechercher, adapter et qualifier les méthodes d'optimisation les mieux à même de résoudre ces problèmes. Enfin, les différentes méthodes d'optimisation proposées sont implantées et testées de façon à prouver leur efficacité et leur adaptation. Un objectif secondaire mais important est de les capitaliser et diffuser les connaissances élaborées

Ce mémoire d'Habilitation à Diriger des Recherches (HDR) retrace dix années de recherche en tant que maître de conférences, autour de modèles d'EDP appliqués à des écoulements de fluides. On y trouve aussi bien des aspects analyse mathématique, qu'analyse numérique, algorithmique ou encore calcul et mise en oeuvre informatique. Les principaux modèles d'EDP abordés sont les équations de Navier-Stokes ou Stokes surface libre (micro-fluidique, glaciologie), les équations de St-Venant ou asymptotique "shallow" (hydraulique fluviale, glaciologie). L'orientation de ces études vers les thématiques applicatives a conduit à élaborer des modèles numériques potentiellement applicables aux problèmes réels posés. Ainsi, les aspects calibration de modèles, optimisation, identification, analyse de sensibilité et assimilation de données (via le contrôle optimal) y sont largement représentés. En termes de réalisation de logiciels prototypes, sont présentés un code d'hydraulique fluviale (inondations) dédié à l'analyse de sensibilité, l'assimilation variationnelle de données et le couplage, un code surface libre d'impact de gouttelettes (2D axisymétrique ALE) et un code d'optimisation de forme appliqué à l'électro-capillarité. <br /> Le premier chapitre présente des analyses mathématiques et analyse de schémas éléments finis basées sur des troncatures. Un second chapitre décrit un cadre mathématique et algorithmique pour l'optimisation de forme, avec applications à un modèle Navier-Stokes - thermique radiative et à une gouttelette électrifiée (électro-capillarité). Un troisième chapitre traite de la modélisation numérique de la dynamique d'une gouttelette sur un substrat solide. La dynamique de la ligne triple y est décrite à l'aide du modèle de Shikhmurzaev. Dans un quatrième chapitre sont présentés plusieurs travaux autour d'écoulements fluviaux et zones d'inondations (St-Venant 1.5D-2D, schémas volumes finis). Les processus de calibrage de modèles, de couplage et d'assimilation variationnelle de données constituent une grand part des travaux. Des applications à des écoulements réels avec données non standards (trajectoires lagrangiennes, image satellite) démontrent la potentialité des méthodes développées. Le dernier chapitre traite des travaux récemment initiés et tout particulièrement ceux relatifs aux calottes polaires (Stokes non-Newtonien et équations asymptotiques). Parmi les difficultés mathématiques soulevées figurent la réduction de modèles (asymptotique, réduction d'ordre), le couplage, la sensibilité des modèles aux erreurs et aux paramètres, et enfin l'assimilation de données et le calibrage.

L'introduction de systèmes instrumentés dédiés aux applications de sécurité impose l'évaluation de leur sûreté de fonctionnement. On utilise généralement pour cela les bases de données de fiabilité génériques. Cependant, le retour d'expérience pour ces systèmes qui présentent en général des défaillances rares est insuffisant pour valider les résultats obtenus. En outre, la collecte de données de fiabilité et leur extrapolation à d'autres composants introduisent des incertitudes.<br />Les travaux de cette thèse portent sur la problématique de la prise en compte des incertitudes relatives aux données de fiabilité des composants pour l'évaluation de la sûreté de fonctionnement des systèmes par le formalisme des sous ensembles flous. La méthodologie proposée est appliquée à l'évaluation des probabilités de défaillance des Systèmes Instrumentés de Sécurité (SIS) en présence de données de fiabilité imprécises. Nous introduisons deux nouveaux facteurs d'importance pour aider le concepteur. En outre, nous proposons une méthodologie d'aide à la conception des SIS basée sur la modélisation par réseaux de fiabilité et l'optimisation par des algorithmes génétiques de la structure des SIS pour le respect des niveaux d'intégrité de sécurité (SIL) exigés.

Le logiciel Aerolog de MBDA est usuellement mis en oeuvre pour la simulation d'écoulements compressibles stationnaires autour de géométries complexes. Le schéma de Lax-Wendroff-Ni, à distribution de résidu, est associé à une technique de lissage implicite des résidus pour assurer un faible coût par itération et une mise en oeuvre flexible pour des géométries complexes avec des maillages multidomaines. Afin d'améliorer l'efficacité du code pour la simulation d'écoulements instationnaires, on propose dans ce travail un schéma décentré original, dit à pas de temps caractéristique, dont le support compact permet de préserver les traitements aux frontières et aux raccords existants. Ce schéma est associé à une nouvelle phase implicite, dite sans matrice, et mis en oeuvre dans le cadre d'une technique de pas de temps fictif. Les résultats fournis par cette nouvelle approche sont analysés du point de vue de l'efficacité et de la précision pour des écoulements stationnaires et instationnaires autour de profils et de gouvernes et comparés à ceux produits par l'approche existante. Un problème de conception optimale d'une aile est ensuite étudié dans le cadre de l'aéroélasticité statique : les effets aéroélastiques associés à l'évidement des ailes d'un missile de croisière sont exploités dans le but de maximiser la portée de l'engin. Une chaîne de calcul aéroélastique entièrement automatisée est mise en place pour permettre une étude numérique de ces effets et une première étude paramétrique est menée afin d'évaluer la pertinence des paramètres retenus et la précision des méthodes utilisées.

Les interfaces haptiques à retour d'effort sont des dispositifs robotiques capables deproduire des forces à destination de l'utilisateur en téléopération et en réalité virtuelle. L'utilisation d'interface à retour d'effort en Conception Assistée par Ordinateur (CAO) offre de nouvelles perspectives pour la création et la conception de formes 3D grâce à une interactivité à la fois visuelle et kinesthésique. Elles permettent à la fois de visualiser, de manipuler en temps réel des objets virtuels et d'en ressentir les efforts (liés aux contacts, à la déformation, etc.).Les travaux présentés dans cette thèse contribuent au développement d'interfaces àretour d'effort pour répondre au mieux aux besoins de la CAO. Dans ce mémoire, l'accent est placé sur la problématique de la stabilité et son exploitation pour la commande de l'interface mais aussi pour la conception électromécanique. L'ensemble des travaux porte sur une interface à un degré de liberté.Dans un premier temps, différents facteurs liés au système mécanique (amortissement, modes vibratoires) et à l'environnement virtuel (échantillonnage, retard. . .) agissant sur la stabilité d'une interface sont mis en évidence à l'aide de critères fréquentiels. Ensuite, la conception d'une interface (choix et dimensionnement des composants) est ramenée sous forme d'un problème d'optimisation incluant une contrainte liée à la stabilité (en termes de domaine d'utilisation) et un critère de maximisation de la transparence (en termesd'inertie du dispositif).Dans un second temps, l'architecture de commande des dispositifs haptiques est étudiée. À l'aide d'une nouvelle condition de stabilité asymptotique pour les systèmes en temps discret à retard variable et en utilisant un observateur d'état augmenté comme alternative à l'utilisation standard de la méthode des différences finies arrières, la synthèse d'une nouvelle architecture de commande est proposée.La dernière partie du mémoire aborde la description du banc d'essai expérimental développé pendant le travail de thèse ainsi que les résultats des tests réalisés.

A ce jour, la fabrication additive est développée avec plusieurs procédés qui sont capables de fabriquer les pièces en plastique ou en métallique. De plus, la FA a des avantages qui sont des limites pour la technologie traditionnelle. Par exemple, grâce à la liberté de la forme de la pièce, il n’y pas besoin des outillages spécifiques. Mais la FA a aussi des inconvénients, par exemple, la qualité de surface de la pièce, normalement faible, le cout, de la fabrication, notamment à cause de l’investissement pour la machine de fabrication et aussi la matière première. Il y a beaucoup de différences entre la FA et les technologies traditionnelles. Nous considérons donc qu’il est nécessaire d’avoir un nouveau processus de conception pour la fabrication additive On étudie une méthode de conception pour la fabrication additive qui nous permet de fabriquer une pièce ou un mécanisme de manière optimale.Notre travail de thèse est appuyé sur les deux questions de recherche :• Quel modèle pour le processus de conception d’une pièce par fabrication additive ?o Comment tirer les profits de l’avantage de la FA, par exemple, la liberté de la forme ?o Comment intégrer des caractéristiques du procédé de FA dans le processus de conception ?• Quelle est l’influence de la représentation intermédiaire dans le processus de conception pour la fabrication additive ?o Les types de représentations intermédiaires avec la FAo Le choix du type de représentation intermédiaire pour évaluer le produit dans un moment spécifique du processus de conception pour la FA.En première temps, nous avons développé une modèle de processus qui permet de prise en compte la caractéristique des procédés, ainsi de tirer les profits de l’avantage de fabrication additive.En deuxième temps, nous avons déterminé une méthode de choix qui nous permet de choisir entre les types de représentations intermédiaire pour évaluer le produit dans un processus de conception pour la FA. Cette méthode est basé sur Case Based Reasoning. / To date, additive manufacturing is being developed with several processes that are capable of manufacturing plastic or metal parts. In addition, the FA has advantages that are limitations for traditional technology. For example, thanks to the freedom of the shape of the part, there is no need for specific tools. But the FA also has disadvantages, for example, the surface quality of the part, normally low, cost, manufacturing, especially because of investment for the manufacturing machine and also the raw material. There are many differences between AF and traditional technologies. We therefore consider it necessary to have a new design process for additive manufacture. A design method for additive manufacturing is being studied which allows us to manufacture a part or mechanism in an optimal way.Our thesis work is based on the two research questions:• Which model for the design process of a part by additive manufacturing?O How to draw the benefits of the FA advantage, for example, freedom of form?O How to integrate AF process characteristics into the design process?• What is the influence of intermediate representation in the design process for additive manufacturing?O Types of intermediate representations with FAO The choice of intermediate representation type to evaluate the product at a specific time in the design process for the FA.In the first phase, we have developed a process model that takes into account the characteristic of the processes, thus taking advantage of the additive manufacturing advantage.As a second step, we determined a method of choice that allows us to choose between the types of intermediate representations to evaluate the product in a design process for FA. This method is based on Case Based Reasoning.

Cette thèse aborde la conception optimale des chaînes de traction par l'exemple d'une chaîne de traction pour métro. Les données d'entrée de la conception d'une chaîne de traction sont la performance attendue et l'encombrement des équipements nécessaires. Pour aider le concepteur, l'outil informatique donne aujourd'hui la possibilité de construire une grande variété de modèles. D'autre part, les algorithmes d'optimisation permettent de trouver les configurations optimales. Ces possibilités ont été exploitées au cours de ce travail. Les modèles développés permettent d'estimer un large nombre de critères. A travers l'exemple de ces modèles, la méthode de conception suivie est détaillée dans le rapport. D'un point de vue technique, la chaîne de traction proposée est détaillée dans le dernier chapitre / This thesis deals with the optimal design of electric drivetrains. A drivetrain for metro is taken as an example. The input data for the design are the expected performance and the size of the required equipments.To assist the designer, the computing tool now gives the opportunity to build different sort of models. In addition, optimization algorithms allow finding optimal configurations. This work is an attempt to exploit these possibilities. The design models are used to value a large number of criteria. Through the example of these models, the design method followed is detailed in the document. From a technical point of view, the proposed drivetrain is detailed in the last chapter