Le présent projet de recherche est dédié à la formalisation et à l'intégration des méthodologies de conception et validation à la phase de conception détaillée, afin de favoriser les échanges de connaissances entre les acteurs impliqués dans le processus de développement de produits. La conception détaillée implique des interactions entre trois éléments : la géométrie, les matériaux et les chargements. Conséquemment, dans le cadre de cette thèse qui intègre plusieurs articles, les liens entre ces trois éléments seront formalisés au niveau des méthodologies de conception. Plus spécifiquement, les méthodologies de conception proposées seront centrées sur la phase de conception détaillée. En effet, dans la littérature existante, peu d'articles s'attardent à décrire les processus itératifs selon lesquels un concept est développé en produit dans le respect des critères de conception mentionnés dans le cahier de charges et tout en gardant le lien avec les connaissances disciplinaires et les outils d'assistance actuels. Il faudra donc envisager des méthodologies de conception détaillée qui cibleront plusieurs critères de conception et qui s'adapteront à divers types de produits. À l'étape de conception détaillée, dans le cadre du processus de développement de produits, il faudra également intégrer l'optimisation et la validation de produits. Les activités d'optimisation permettent de trouver une ou plusieurs combinaisons de paramètres maximisant ou minimisant un critère de conception donné, tandis que les activités de validation fournissent une rétroaction au concepteur, afin de vérifier l'exactitude des calculs réalisés et l'atteinte de tous les critères de conception. L'application d'une décomposition des étapes représente une stratégie qui sera utilisée pour le développement de méthodologies de conception et de validation de produits. Les sous-étapes qui en résulteront seront plus faciles à accomplir et à gérer. Qui plus est, les sous-étapes peuvent interagir entre elles, donc les concepteurs doivent s'assurer que la solution obtenue suite à une étape ne viole pas les hypothèses ou les contraintes d'une autre sous-étape complémentaire. La méthodologie de conception et de validation de produits structuraux, qui en a résulté suite à ce programme de recherche, a été appliquée en milieu industriel dans le but de prouver sa contribution au développement de ce type des produits. Un des gains les plus importants apportés par cette méthodologie c'est qu'on a réussi à réduire le nombre d'itérations au niveau de l'étape de validation expérimentale tout en assurant la rétroaction sur les besoins du client et sur les spécifications du produit. Cette réduction du nombre d'itération au niveau de la validation expérimentale sera transposée également dans une réduction du temps de validation. Finalement, suite à l'application de la nouvelle approche méthodologique, on a été en mesure de développer une composante structurale qui devrait respecter plusieurs critères à la fois et de déterminer d'une manière scientifique sa durée de vie tout en minimisant son surdimensionnement.

Cette thèse se propose de situer dans le cadre du paradigme instrumental un ensemble d'études dans le domaine de la conception des artefacts embarqués pour l'automobile. L'objectif est de retrouver, dans la diversité apparente des systèmes embarqués (dits d' «aides à la conduite», de «confort», de «communication» ...) des invariants de conception susceptibles d'orienter en amont certains choix dimensionnants. <br /><br />Dans la perpective de répondre à cet objectif, le modèle instrumental propose une analyse des liens entre les trois pôles Sujet-Instrument-Objet de la situation. Sur cette base nous avons développé un modèle opératif qui met en miroir une face dite «psychologique» non directement observable, mais explicitable, et une face « comportementale » plus directement observable. L'acte instrumental se comprenant comme une articulation entre ces deux faces du même modèle.<br /><br />La première partie porte sur des artefacts de guidage. Plusieurs modalités sont comparées: Utilisation d'une carte papier, Copilotage humain, Guidage par différentes versions d'un système computationnel.<br />Les résultats indiquent que par rapport à l'usage de la carte papier, et contrairement aux hypothèses de départ, le guidage avec le système n'augmente pas les performances navigationelles du conducteur, mais diminue significativement le nombre de «situations accidentogènes» rencontrées .<br />Par ailleurs les résultats montrent aussi que dans les cas où il existe une incohérence, du point de vue du conducteur, entre les prescriptions transmises par le système et ce qu'il perçoit directement de l'environnement routier, des stratégies efficaces de régulation de l'activité sont mises en place.<br />L'application du cadre instrumental a permis d'interpréter ces résultats en termes de schèmes de gestion des compromis de l'action. Ce compromis s'est réalisé entre «prise de risque» et «performance».<br /><br />La deuxième partie élargit cette approche à l'analyse de cas d' artefacts diversifiés (commandes sur les ouvrants, sur les essuies vitres ...). Les situations analysées proviennent alors plus souvent d'entretiens relatifs à des situations d'usage d'équipements existant plutôt qu'à partir d'expérimentations ad hoc comme dans la première partie. <br />L'analyse de la réussite ou non de la conception se fait en terme de concordance entre les deux faces, psychologique et comportementale, du modèle : c'est à dire entre ce qui est attendu et ce qui est obtenu par le sujet au cours de l'activité instrumentée.<br /><br />Une recherche d'opérationnalisation a ensuite été réalisée en montrant d'une part comment l'analyse de certaines situations d'usage pouvait être généralisée pour servir à la conception d'autres artefacts qui par certains traits caractéristiques pouvaient s'apparenter à la situation étudiée, et d'autre part, par l'établissement d'une correspondance entre des critères de conception et le modèle de l'activité proposé.<br /><br />De cette recherche transparaissent deux éléments :<br />- L'analyse à partir du modèle instrumental permet bien d'identifier des invariants de conception, généralisables à une classe donnée d'artefacts.<br />- Pour cette recherche d'invariants, il peut exister une alternative à la mise en place d'expérimentations sur des prototypes ad hoc du système en cours de conception : l'analyse à partir d'entretiens sur des situations d'usage de systèmes existants.

Ces travaux de thèse sont basés principalement sur le phénomène de multistabilité des structures minces de type plaques et coques ainsi que quelques applications associées. Les travaux sont divisés en deux parties. La première partie a pour objet l’étude théorique, numérique et expérimentale de la multistabilité des coques minces orthotropes peu profondes à courbures uniformes. On montre notamment qu’une telle coque, lorsqu’elle est soumise à la combinaison d’une courbure initiale et d’une précontrainte suffisamment élevées, possède jusqu’à trois configurations stables vis-à-vis des propriétés matériaux. Dans un premier temps, nous proposons des critères de conception et fabrication de coques multistables allant jusqu’à la tristabilité, validés numériquement et expérimentalement. Ensuite, nous appliquons ces critères à la conception et à la fabrication de coques multistables cylindriques dont la différence de niveau énergétique entre les deux états stables est minime. Sur ce support, la deuxième partie est consacrée à des applications exploitant la bistabilité des coques cylindriques minces à faible différence énergétique. Nous effectuons tout d’abord une application au contrôle de forme via l’utilisation de matériaux actifs que l’on attache à la structure. Cela comprend une première phase théorique de conception de la structure et de la loi d’actionnement, et une seconde phase de mise en œuvre expérimentale. Ensuite, nous étudions théoriquement et expérimentalement les propriétés de dynamique non-linéaire de ce type de coques dans le but de mettre en évidence les modes d’oscillations intrinsèques à une source d’excitation externe. Enfin, nous proposons une application à la récupération d’énergie vibratoire non-linéaire de coques multistables cylindriques métalliques par voie piézoélectrique. / This work is essentially based on the phenomenon of multistability of thin structures as plates and shells and some associated applications. The work is divided in two parts. The first part aims to study theoretically, numerically and experimentally the multistability of thin orthotropic shallow shells with uniform curvature. We show notably that such a shell, when submitted to the combination of initial curvature and pre-stresses sufficiently high, possesses up to three stable states towards the choice of the material. First, we propose criteria to design and manufacture multistable shells up to tristability ; this work is validated by finit element simulations and experiments. After, we apply those criteria to the design and manufacture ofcylindrical multistable shells for which the energetic gap between stable states is minimal. The second part is dedicated to direct applications of bistability of thin cylindrical bistable shells with low energetic gap. We first propose an application on shape control via the use of active materials which we bond on the structure. This includes a first phase of theoretical design of both the structure and the actuation law, and a second phase of experimental demonstration. After, we study both theoretically and experimentally the non-linear dynamic properties of such structures with the aim to highlight the different modes of oscillations intrinsic to an external excitation source. Finally, we propose an application to non-linear broadband energy harvesting from vibrations based on multistable piezoelectric excited shells.