L’originalité de notre travail consiste à développer une approche qui intègre l’ingénierie systèmes basée sur les modèles (MBSE) avec les principes de l’approche SBCE afin de réduire les boucles itératives entre les concepteurs inexpérimentés, les fabricants et les experts. D’autres parties prenantes participent également au développement du produit afin d’assurer environnement d’ingénierie simultanée. Cette approche offre un grand potentiel pour gérer les aspects de fabricabilité et de fiabilité, en raison de la capacité à développer des connaissances en parallèle, en particulier pour les technologies avancées et non matures. L’avantage d’utilisation des principes du SBCE est d’offrir des possibilités de communication entre les parties prenantes au début de la phase de conception. SysML est utilisé comme langage descriptif pour représenter les différentes phases de cette approche. Pour étudier la robustesse ces système, nous avons développé un modèle intitulé «Model Based for Robustness Analysis» (MBRA) qui a pour objectif de filtrer les solutions faibles ou coûteuses au fil du temps et d’assister l’ingénieur système lors de l'adoption d’une étude de compromis. Pour l’étude de la fabricabilité des systèmes complexes, nous avons développé un autre modèle intitulé « Model Based for Manufacturability analysis » / The originality of our work is to develop an approach that integrates model-based systems engineering (MBSE) with the principles of the SBCE approach to reduce iterative loops between inexperienced designers, manufacturers, and experts. Other stakeholders are also involved in product development to ensure simultaneous engineering environment. This approach offers great potential for managing manufacturability and reliability aspects, due to the ability to develop parallel knowledge, especially for advanced and non-mature technologies. The advantage of using SBCE principles is to provide opportunities for communication between stakeholders early in the design phase. SysML is used as a descriptive language to represent the different phases of this approach. To study the robustness of these systems, we have developed a model called "Model Based for Robustness Analysis" (MBRA) which aims to filter low or expensive solutions over time and to assist the system engineer when adopting a trade-offs study. For the assessment of the manufacturability of complex systems, we have developed another model entitled "Model Based for Manufacturability analysis"

Ce travail de recherche entre dans le cadre de la conception pluridisciplinaire de systèmes techniques. Son contexte est le processus support à l'optimisation en conception organique suivant l'approche d'Ingénierie Système. La problématique est l'affectation des variables et le choix de composants en tenant compte des possibilités de couplage entre les disciplines et des objectifs multiples à satisfaire. L'objectif poursuivi est un apport méthodologique et outillé pour l'aide à l'optimisation multiobjectif et multidisciplinaire. La contribution comporte deux volets principaux. D'une part, deux méthodes de recherche basées sur les méta-heuristiques permettent de déterminer rapidement un ensemble des solutions efficaces. D'autre part, l'application de méthodes de discrimination fournit aux concepteurs une aide à l'interprétation des ensembles de solutions efficaces dégagés dans la phase d'optimisation. Ces propositions sont illustrées par deux exemples de conception en robotique.

La préconception est une phase aboutissant à la génération d’une architecture physique de concept. Dès cette phase, il est crucial de choisir une architecture qui prenne en compte les contraintes multi-physiques. Cette thèse permet de répondre à cette problématique : comment évaluer des architectures physiques d’un système complexe sous contraintes multi-physiques pendant les phases amont, afin de limiter les risques de couplages multi-physiques dans les étapes suivantes, qui engendrent une augmentation conséquente de la durée et du coût de la conception ?Pour répondre à cette problématique, nous proposons tout d’abord un processus nommé SAMOS permettant aux acteurs de cette phase d’échanger des informations en limitant le risque d’incohérences et d’incompréhensions. Puis, en nous limitant à l’analyse thermique, nous avons développé une plateforme « modeleur 3D thermique », s’appuyant sur un environnement 3D, deux extensions SysML et des transformations de modèle, pour faciliter les échanges d’informations et de données entre l’architecte système, l’architecte 3D et les équipes de simulation, et ainsi diminuer la redondance et le temps de conception.Ainsi, pour permettre la gestion de l’encombrement et du positionnement spatial de chaque équipement, une extension SysML GERTRUDe a été proposée pour pouvoir spécifier des exigences géométriques : formes géométriques simples des composants, dimensions, contraintes de positionnement.GERTRUDe utilise le modèle géométrique des SATT enrichi avec les paramètres intrinsèques. De la même façon, l’extension SysML TheReSE, basée sur GERTRUDe, permet la gestion des exigences thermiques : propriétés thermiques de composants et spécification des interactions thermiques susceptibles d’intervenir entre les composants de l’architecture.De même les interactions thermiques entre les différents équipements peuvent être soit spécifiées en SysML, soit être ajoutées dans l’environnement 3D. Ces informations permettent de définir alors un réseau d’interactions thermiques, qui intègre à la fois les informations géométriques et thermiques. Ce réseau est alors transformé en un modèle thermique implémenté en Modelica, qui permet par simulation d’évaluer la température des faces des composants.Les approches proposées ont été implémentées dans un démonstrateur, afin de démontrer la faisabilité du concept sur plusieurs cas d’études industriels, et ainsi valider les attentes industrielles vis-à-vis de l’approche proposée et ses perspectives. / Conceptual design leads to the generation of a physical concept architecture. From this phase, it is crucial to select an architecture that takes into account multi-physical constraints. We propose in this thesis to solve the following research issue: how can the physical architectures of a complex system under multi-physical constraints be evaluated during the earlier design phases, in order to limit the risks of multi-physical coupling in the following phases that generate a considerable increase in design time and cost?To tackle this problem, we first propose a framework called SAMOS which allows the actors in the design to exchange information during this phase while limiting the risks of inconsistencies and misunderstandings. Then, by focusing on the thermal analysis, we develop a "thermal 3D sketcher" platform, based on a 3D environment, two SysML extensions and several model transformations. It will facilitate human and data exchanges between System architects, 3D architects and simulation teams, thus reducing redundancy and design time.Thus, in order to manage the geometry requirements and spatial positioning of each item of equipment, the GERTRUDe SysML extension is proposed. It allows specifying geometrical requirements such as simple geometrical shapes for the components, their dimensions and positioning constraints.GERTRUDe uses TTRS (Technologically and Topologically Related Surfaces) geometrical modeling enriched with intrinsic parameters. Likewise, the TheReSE SysML extension, based on GERTRUDe, allows the management of thermal requirements: the thermal properties of components and the specification of thermal interactions that may occur between the architecture components.The transformation rules are described. They automatically generate a specified architecture which includes possible geometrical constraints that can be transformed from a SysML environment into a 3D environment; the direction of transformation can be reversed so that a 3D architecture can be traced from a 3D environment to a SysML environment.Similarly, the thermal interactions between the different components can be either specified in SysML or be added in the 3D environment. This information allows defining a thermal interactions network which integrates both geometrical and thermal data. This network is then transformed into a thermal model implemented in Modelica, which allows simulation to evaluate the temperatures of the components’ faces.The approach proposed is implemented in a demonstrator to provide proof of concept based on several industrial case studies, thus validating the industrial expectations with regard to the approach proposed and its perspectives.

Durant la phase de conception, les différentes équipes d’ingénierie procèdent à de multiples simulations par éléments finis traitant les comportements physiques variés afin d’assurer la vérification et la validation.Cependant, les résultats insatisfaisants engendrent des changements tardifs et par conséquent de longues itérations et des coûts croissants.Pour répondre à cette problématique, il est essentiel de prendre en considération les contraintes géométriques et multi-physiques dès la phase de préconception.En effet, un processus appelé SAMOS est développé visant à sélectionner l’architecture multi-physique 3D la plus adéquate tout en garantissant une collaboration efficace entre les équipes d’ingénieurs. D’ailleurs, il est basé sur deux extensions en SysML permettant l’enrichissement de l’architecture par des informations géométriques et multi-physiques.D’autre part, cette thèse se focalise sur l’étude des contraintes magnétiques et du couplage magnétique-thermique.Comme cette phase ne supporte pas les simulations par éléments finis, les modèles analytiques basés sur des géométries simplifiées sont suffisants pour fournir des résultats approximatifs satisfaisants.Dans ce contexte, différents modèles analytiques sont étudiés et validés à travers des simulations par éléments finis et des mesures pour plusieurs cas tels que les aimants permanents en Néodyme. En fait, l’augmentation de température ne fait pas seulement diminuer la densité du flux magnétique rémanente mais il est capable de causer des pertes irréversibles. En effet, lorsqu’on revient à la température initiale, les caractéristiques de l’aimant sont modifiées. Les différents facteurs affectant le processus de démagnétisation sont examinés.De plus, l’impact de la température sur les performances d’un moteur sans balais est étudié étant donné que ce dispositif représente un système mécatronique complexe. / During the design phase, the different engineering teams make multiple FE simulations dealing with various physical behaviours in order to ensure both verification and validation.However, the unsatisfactory results lead to late changes and hence to long iterations and increasing costs.In order to tackle this problem, it is essential to take into account the geometrical and multi-physical constraints in the complex system architecture since the conceptual design phase.In fact, a process called SAMOS is developed aiming at selecting the most adequate 3D multi-physical architecture while ensuring an efficient collaboration between the engineering teams. Moreover, this framework is based on two SysML extensions which allow the enrichment of the architecture with geometrical and multi-physical data.Furthermore, this thesis focuses on magnetic constraints and magnetic-thermal coupling.Since this phase does not support long FE simulations, the analytical models based on simplified geometries are sufficient to provide satisfactory approximate results.In this context, different analytical models are studied and validated through FE simulations and measures for several cases such as NdFeB permanent magnets. Indeed, the temperature rise does not only decrease the remanent flux density but is able also to cause irreversible losses. In fact, once we go back to the initial temperature, the characteristics of the magnet are modified. The different factors impacting the demagnetization process are discussed.Besides, the temperature impact on brushless motors’ performances is studied since this device represents a complex mechatronic system.