La conception de systèmes complexes, et plus particulièrement de micro-systèmes complexes embarqués, posent des problèmes tels que l'intégration des composants, la consommation d'énergie, la fiabilité, les délais de mise sur marché, ...La conception mécatronique apparait comme étant particulièrement adaptée à ces systèmes car elle intègre intimement simulations, expérimentations, interactions entre sous-systèmes et cycles de reconception à tous les niveaux. Le produit obtenu est plus optimisé, plus performant et les délais de mise sur le marché sont réduits.Cette thèse a permis de trouver des méthodes de caractérisation, d'identification de paramètres ainsi que d'optimisation de systèmes mécatroniques actifs par la constitution de modèles numériques, de bancs d'expériences numériques, physiques et hybrides. Le cadre est bien précis : c'est celui d'un actionneur piézoélectrique amplifié, de sa commande ainsi que de la constitution générale de la boucle fermée d'un système mécatronique l'intégrant, les conclusions étant généralisables.Au cours de cette thèse, ont été introduits, avec succès, différents concepts :– Le « Signal Libre ». Un nouveau signal de commande des actionneurs piézoélectriques, basé sur les splines, maximise la vitesse de déplacement de l'actionneur et minimise sa consommation énergétique.– Deux améliorations de l'algorithme d'optimisation par essais de particules. La première introduit un arrêt de l'algorithme par la mesure du rayon de l'essaim ; le rayon limite est défini par la limite de mesurabilité des paramètres à optimiser ("Radius") ; la seconde ajoute la possibilité pour l'essaim de se transférer à une meilleure position tout en gardant sa géométrie. Ceci permet d' accélérer la convergence ("BSG-Starcraft")– L'optimisation expérimentale. Le modèle numérique étant très incertain, il est remplacé directement par le système réel dans le processus d'optimisation. Les résultats sont de qualité supérieure à ceux obtenus à partir de la simulation numérique. / The design of complex systems, especially of embedded complex micro systems, causes problems such as component integration, power consumption, reliability, time-to-market ....Mechatronics design appears to be particularly suitable for these systems because it integrates closely simulations, experiments, interactions between subsystems and redesign cycles at all levels. The resulting product is more optimized, more efficient and time-to-market is reduced.This thesis led to methods of characterization and parameter identification but also to methods for optimizing active mechatronic systems through numerical model building and different bench types, i.e. digital, physical, and hybrid. The framework is specifically that of an amplified piezoelectric actuator, its control as well as the general constitution of the closed loop of the related mechatronic system. The conclusions are generalizable.In this thesis, different concepts have been successfully introduced: - The "Free Signal". A new control signal of the piezoelectric actuator, based on splines, maximizes the speed of the actuator movement and minimizes the energy consumption. - Two improvements of the particle swarm optimization algorithm. The first one introduces a stopping criteria by measuring the swarm radius; the limit radius is defined by the measurability limit of the parameters to be optimized (“Radius”). The second one adds a swarm ability: it can jump to a better location keeping its geometry. This allows a faster convergence rate (“BSG-Starcraft”). - The experimental optimization. The numerical model being very uncertain, it is directly replaced by the real system in the optimization process. This leads to better results than those obtained using numerical simulation.

Ce travail s'inscrit dans une stratégie d'investigation expérimentale et numérique des mécanismes d'enlèvement de la matière lors de l'usinage de l'alliage de titane Ti-6Al-4V. Il aborde un problème complexe, fortement couplé, faisant intervenir la thermique et la mécanique aux petites échelles (micrométrique). Le manque de moyens de mesure dédié à ces échelles de temps et de l'espace (phénomènes rapides et très locaux) ne permet pas, à ce jour, d'appréhender précisément les phénomènes thermomécaniques mis en jeu pendant la formation de copeau. De ce fait, un dispositif spécifique, appelé VISIR, répondant à cette problématique a été mis en place. La partie expérimentale s'est donc orientée vers une compréhension plus fine des mécanismes d'enlèvement de la matière. Elle a notamment permis de mettre en évidence l'évolution de grandeurs mécaniques et thermiques durant la formation des festons mais surtout le couplage entre la température et la vitesse de déformation. Basée sur les constatations expérimentales, une étude du comportement thermomécanique de cet alliage a été mis en place. Des essais en cisaillement dynamique à travers des éprouvettes chapeau ont permis d'identifier par méthode inverse une nouvelle loi de comportement couplée en température et en vitesse de déformation. De plus, une étude de l'endommagement s'est appuyée sur l'identification et l'évaluation de huit critères communément utilisés dans le domaine de mise en forme a permis de proposer une nouvelle loi, inspirée du critère de Tresca, couplée au comportement. L'intégralité de ces formulations couplée à un modèle de frottement Stick-Slip ont enfin été implémentés dans un modèle EF 3D. La confrontation expérimentale/numérique en termes de grandeurs mécaniques et thermiques a révélé la robustesse et l'aspect prédictif du modèle EF développé. Enfin, les résultats de cette étude ont permis de développer une discussion détaillée sur les mécanismes d'enlèvement de la matière et plus particulièrement les complexes trajet des fissurations. / This work develops an experimental and numerical strategy in order to investigate material removal of titanium alloy Ti-6Al-4V during machining process. It therefore intends to tackle a complex and strongly coupled problem, involving thermal and mechanical aspects at small scales (micrometric). The lack of measuring means dedicated to such scales in terms of time and space (rapid and strongly local phenomena) does not allow yet to precisely apprehend the thermomechanical phenomena involved during the chip formation. As a result, a specific device, called VISIR, that addresses this issue has been set-up. The experimental aspect of this work has therefore been oriented towards a more precise understanding of the material removal mechanisms. It allowed to observe the evolution of mechanical and thermal quantities during the chip formation and more precisely the strong coupling between the temperature and the strain rate. Based on these experimental insights, the thermomechanical behavior of this alloy has been studied through dynamic shear tests using hat-shaped specimens. It allowed to identify through inverse method a new constitutive equation coupled in temperature and strain rate. In addition, a study on damage is conducted. It is based on the identification and the evaluation of eight criteria commonly used in the material forming process. This leads to proposing a new damage equation, inspired from the Tresca criterion and coupled to material plastic behavior. All of these formulations along with a Stick-Slip friction model have finally been implemented in a 3D FE orthogonal cutting model. Experimental/numerical comparison in terms of mechanical and thermal quantities revealed the robustness and predictive aspect of the developed FE model. Finally, the results of this study allowed to develop a detailed discussion on the material removal mechanisms and more particularly the complexe cracks paths.

Avec l'augmentation de l'utilisation des mousses polyuréthanes dans l'industrie automobile et la complexité des formes des pièces, plusieurs défauts de production qui influent sur la qualité des produits finaux peuvent apparaître. L'utilisation des outils numériques pour la simulation du procédé de moussage du polyuréthane est une solution pour prédire le comportement de la mousse pendant le remplissage du moule et détecter les défauts à l'avance. Dans ce contexte, les travaux de cette thèse avaient pour objectif de modéliser et de simuler le procédé de moussage du polyuréthane. Des modèles prenant en compte les deux principales réactions chimiques de la formation du polyuréthane, l'effet exothermique de ces réactions ainsi que le couplage thermo-rhéo-cinétique caractérisant ce procédé ont été proposés. Ces modèles ont été implémentés dans le logiciel NOGRID-points basé sur une méthode sans maillage (FPM) qui donne plus de flexibilité en termes de simulation des écoulements à surface libre. Une technique d'identification inverse qui permet de minimiser l'écart entre les résultats numériques et les résultats expérimentaux obtenus suite à un travail expérimental de caractérisation a permis de déterminer les paramètres des modèles utilisés. Les résultats numériques ont été validés en réalisant des incomplets avec un sous-système de forme simple et un moule d'une pièce industrielle de forme complexe. Cette validation a consisté à comparer les positions des fronts de la mousse obtenues expérimentalement avec celles obtenues numériquement. Nous avons également proposé une prédiction de certaines caractéristiques acoustiques de la mousse en se basant sur les résultats de la simulation numérique du moussage et un modèle semi-phénoménologique. / With the increasing use of polyurethane foam in the automotive industry and the complexity of the shapes of the parts, several production defects that affect the quality of the final products may occur. The use of numerical simulation tools is a valuable method to control the mold filling during the foaming process and to detect defects at an early stage. In this context, this work aimed to model and to simulate the polyurethane foaming process. Models taking into account the two main chemical reactions of the formation of polyurethane, the exothermic effect of these reactions as well as the thermo-rheo-kinetic coupling characterizing this process have been proposed. These models have beenimplemented in the software NOGRID-points based on a meshless method (FPM) which gives more flexibility in terms of simulation of free surface flows. The parameters of the used models were identified by an inverse analysis method which minimizes the difference between the numerical and the experimental results obtained by an experimental characterization work. The numerical resultswere validated by carrying out a set of short shot foams using a panel mold cavity and an automotive underlay carpet cavity. The validation was to compare the flow front positions obtained experimentally with the numerical ones. We have also proposed a prediction of some acoustic foam characteristics based on the results of the numerical simulation of the foaming process and a semiphenomenological model.

L'évaluation de la résistance à l'ouverture des mailles dans les filets de pêche est un enjeu important pour l'évaluation de la sélectivité des chaluts, et plus largement des engins de pêche. Les objectifs de cette thèse sont de développer et d'évaluer une méthodologie pour l'évaluation de la résistance à l'ouverture des mailles dans les filets. Différentes méthodes existent déjà (Sala et al., 2007, Priour and Cognard, 2011, Balash, 2012, De la Prada and Gonzales, 2013). Notre objectif est de proposer une méthode expérimentale simple et ne nécessitant pas d'équipements coûteux pour pouvoir être déployée facilement dans les laboratoires et dans l'industrie de la pêche, combinée avec un modèle numérique capable de représenter le comportement mécanique non-linéaire d'un filet. Le filet, constitué de fils tressés ou toronnés, en Polyéthylène ou Polyamide, présente une structure complexe. De plus, les filets peuvent être soumis à de grandes déformations. Afin d'étudier la réponse mécanique des filets à différents types de sollicitations et de créer une base de données expérimentale, de nombreux essais ont été effectués sur un large éventail de filets de pêche. Plusieurs méthodes numériques pour l'évaluation de la résistance à l'ouverture des mailles à partir de données expérimentales ont été développées. Ces travaux offrent une avancée scientifique pour l'évaluation de la résistance à l'ouverture des mailles : malgré le comportement mécanique visco-élasto-plastique des échantillons de filet, une méthodologie plus simple et plus précise que celles existantes, basée sur un dispositif expérimental simple et un modèle éléments finis libre de droits, est présentée. / The evaluation of the mesh resistance to opening in fishing nets is an important issue to assess the selectivity of trawls, and more broadly of fishing gear. The objectives of this thesis are to develop and to assess a methodology for the evaluation of the mesh resistance to opening in netting structures. Several methods are already proposed (Sala et al., 2007, Priour and Cognard, 2011, Balash, 2012, De la Prada and Gonzales, 2013). This thesis aims at proposing a simple experimental test that does not require expensive devices to be easily spread in laboratories and in the fishing industry, a simple test combined with a numerical model able to represent the non-linear mechanical behaviour of a tested netting panel. The netting structure, constituted of braided or stranded twines, made of Polyethylene or Polyamide, is complex. Moreover, the fishing nets can be subjected to large deformation. In order to study the mechanical response of netting samples to different types of solicitations and to obtain experimental data, numerous experimental tests were performed on a large range of netting samples. Several numerical methods for the evaluation of the mesh resistance to opening using experimental data were developed. This work offers scientific advance for the evaluation of the mesh resistance to opening: despite the visco-elasto-plastic mechanical behaviour of netting samples, one more accurate and simpler methodology than the existing ones, based on a simple experimental set up and on a free of rights finite element model, is presented.