Ce mémoire est centré sur l’application de la technique d’optimisation de type Space Mapping dans le cadre du dimensionnement d’actionneurs électriques pris en compte par des modélisations multi-physiques. L’intérêt particulièrement recherché de ce type de méthode est la réduction potentiellement forte du coût du dimensionnement optimal. Cette volonté de réduction du coût de l’approche optimale s’explique par plusieurs considérations. En premier lieu, la modélisation des actionneurs tend à considérer de plus en plus de phénomènes physiques (tels que les phénomènes magnétiques, électriques, thermiques, mécaniques …) afin de décrire au mieux les phénomènes observés et mesurés. En second lieu il devient alors nécessaire de tenir compte des couplages entre ces physiques afin de traduire au plus juste l’interdépendance de ces phénomènes. Dans ce cadre, un travail particulier a été réalisé concernant la prise en compte des aspects thermiques dans les machines électriques. C’est ainsi qu’un modèle thermique à constantes localisées d’une machine synchrone à aimants permanents a été construit. Pour valider les résultats de calcul et préciser la définition de certain de ses éléments, une démarche expérimentale a été réalisée. Tous ces points, traduits dans le plan numérique, haussent le coût de l’évaluation des performances des actionneurs, et donc celui de leurs dimensionnements. De là, l’utilisation des techniques d’optimisation basées sur des modèles substituts permet d’envisager des réductions significatives des coûts de dimensionnement. La technique de Space Mapping est utilisée dans ce travail comme solution pour trouver un compromis entre la qualité des solutions trouvées et le temps de calcul. Plus particulièrement, elle est utilisée pour résoudre un problème de dimensionnement optimal d’une machine synchrone à aimants permanents assurant la fonction de démarreur dans une application de véhicule hybride. L’approche d’optimisation par Space Mapping a été comparée à celle, plus classique, n’utilisant qu’une seule modélisation de l’actionneur à dimensionner, c’est-à-dire sans modèle substitut. Il est montré que les techniques de Space Mapping sont à même de trouver des solutions de dimensionnement similaires à celles issues d’une approche classique, mais de manière beaucoup plus efficace, i.e. en utilisant un nombre plus faible d’évaluations de la modélisation multi-physique de l’actionneur. / This thesis focuses on the application of the Space Mapping optimization technique in the case of the sizing of electrical actuators taking into account a multi-physical modeling. The main interest in this type of optimization method is to considerably reduce the cost of optimal sizing. The need to use such optimization approach is due to several considerations. First, electrical actuators modeling tends to increasingly require the consideration of several physical phenomena (such as magnetic, electrical thermal and mechanical phenomena) in order to better describe observed and measured phenomena. Besides, it becomes necessary to take into account couplings between the different physical phenomena to precisely calculate the interdependencies between these phenomena. In this context, taking into account the thermal aspect in the case of electrical machines is particularly highlighted. A lumped parameter model of a permanent magnet synchronous machine is built. An experimental procedure has been followed to validate calculation results and define some elements of the proposed model. When implemented numerically, all points mentioned above increase the cost of the calculation of the performances of the electrical actuator, and then the cost of the optimal sizing. Thus, the use of an optimization technique based on surrogate models permits to reduce the optimal sizing cost. Space Mapping technique was used in this work as a solution to find a compromise between the quality of the found results and the calculation time. It is particularly used to solve an optimal sizing problem of a permanent magnet synchronous machine used as starter in a hybrid vehicle application. The Space Mapping optimization approach was compared to a classical one using a unique modeling of sized the electrical actuator : no surrogate model is used in the classical approach. Il is demonstrated that the Space Mapping techniques find optimization results that are similar to those found by the classical approach, yet, in a much more efficiently. Space Mapping techniques require only few calculations of the multi-physical model of the actuator.

Cette thèse présente d'abord une modélisation multi-physique d'une cellule de pile à combustible à oxydes solides de géométrie tubulaire réversible 2D. Le modèle développé peut représenter à la fois une cellule d'électrolyse à oxydes solides (SOEC) et une cellule de pile à combustible à oxydes solides (SOFC). En tenant compte des phénomènes physiques, électrochimiques, fluidiques et thermiques, le modèle présenté peut décrire avec précision les effets multi-physiques à l'intérieur d'une cellule pour le fonctionnement en mode électrolyseur ou en mode pile sur toute la plage de fonctionnement en courant et en température. En outre, un solveur itératif a été mis en place afin de résoudre la distribution 2D des quantités physiques le long de la cellule tubulaire. Le modèle de cellule réversible est ensuite validé expérimentalement dans les deux configurations sous différentes conditions. Par ailleurs, un modèle de pile à combustible alimentée par du syngas a été développé. Ce dernier est orienté contrôle et prend en compte à la fois des phénomènes de co-oxydation de l'hydrogène et du monoxyde de carbone. Le modèle de gaz de synthèse développé est validé expérimentalement dans différentes conditions de fonctionnement. Le modèle développé peut être utilisé dans des applications embarquées comme la simulation en temps réel, ce qui peut aider à concevoir et tester la stratégie de contrôle et de diagnostic en ligne pour le système de génération d'énergie des piles à combustible dans les applications industrielles.La simulation en temps réel est importante pour le diagnostic en ligne des piles à combustible et les tests HIL (hardware-in-the-loop) avant les applications industrielles. Cependant, il est difficile de mettre en œuvre des modèles de piles à combustible multi-dimensionnels et multi-physiques en temps réel en raison des problèmes de rigidité numérique du modèle. Ainsi, la rigidité numérique du modèle en temps réel de la pile de type SOFC est d'abord analysée. Certains des solveurs d'équations différentielles ordinaires (ODE) couramment utilisés sont ensuite testés par la mise en place d’une simulation en temps réel comme objectif principal. Enfin, un nouveau solveur ODE rigide est employé pour améliorer la stabilité et réduire le temps d'exécution du modèle de pile à combustible en temps réel multidimensionnel. Pour vérifier le modèle proposé et le solveur ODE, des expériences de simulation en temps réel sont réalisées au sein d’une plate-forme temps réel embarquée commune. Les résultats expérimentaux montrent que la vitesse d'exécution satisfait à l'exigence de la simulation en temps réel. La stabilité du solveur sous forte rigidité et la grande précision du modèle sont également validées.Les piles à combustible sont vulnérables aux impuretés de l'hydrogène et aux conditions de fonctionnement qui entraînent une dégradation des performances de la pile au cours du temps. Ainsi, au cours de ces dernières années, la prédiction de la dégradation des performances attire l'attention qui conduit à des remarques critiques sur la fiabilité du système. Ainsi, une méthode innovante de prédiction de dégradation PEMFC utilisant un réseau neutre récurrent (RNN) à longue distance (G-LSTM) est étudiée. Le système LSTM peut efficacement éviter les problèmes d'explosion et de disparition de gradient en comparaison avec l'architecture RNN conventionnelle, ce qui le rend pertinent pour le problème de prédiction pour une longue période. En mettant en parallèle et en combinant les cellules LSTM, l'architecture G-LSTM peut optimiser de façon avantageuse la précision de prédiction de la dégradation des performances de PEMFC. Le modèle de prédiction proposé est validé expérimentalement par trois types différents de PEMFC. Les résultats indiquent que le réseau G-LSTM utilisé peut prédire la dégradation de la pile à combustible d'une manière précise. / This thesis first presents a multi-physical modeling of a 2D reversible tubular solid oxide cell. The developed model can represent both a solid oxide electrolysis cell (SOEC) and solid oxide fuel cell (SOFC) operations. By taking into account of the electrochemical, fluidic and thermal physical phenomena, the presented model can accurately describe the multi-physical effects inside a cell for both fuel cell and electrolysis cell operation under entire working range of cell current and temperature. In addition, an iterative solver is proposed which is used to solve the 2D distribution of physical quantities along the tubular cell. The reversible solid oxide cell model is then validated experimentally in both SOEC and SOFC configurations under different species partial pressures, operating temperatures and current densities conditions. Meanwhile, a control-oriented syngas fuel cell model includes both hydrogen and carbon monoxide co-oxidation phenomena are also proposed. The developed syngas model is validated experimentally under different operating conditions regarding different reaction temperatures, species partial pressures and entire working range of current densities. The developed model can be used in embedded applications like real-time simulation, which can help to design and test the control and online diagnostic strategy for fuel cell power generation system in the industrial applications.Real-time simulation is important for the fuel cell online diagnostics and hardware-in-the-loop (HIL) tests before industrial applications. However, it is hard to implement real-time multi-dimensional, multi-physical fuel cell models due to the model numerical stiffness issues. Thus, the numerical stiffness of the tubular solid oxide fuel cell (SOFC) real-time model is analyzed to identify the perturbation ranges related to the fuel cell electrochemical, fluidic and thermal domains. Some of the commonly used ordinary differential equation (ODE) solvers are then tested for the real-time simulation purpose. At last, the novel stiff ODE solver is proposed to improve the stability and reduce the multi-dimensional real-time fuel cell model execution time. To verify the proposed model and the ODE solver, real-time simulation experiments are carried out in a common embedded real-time platform. The experimental results show that the execution speed satisfies the requirement of real-time simulation. The solver stability under strong stiffness and the high model accuracy are also validated.Fuel cell are vulnerable to the impurities of hydrogen and operating conditions, which could cause the degradation of output performance over time during operation. Thus, the prediction of the performance degradation draws attention lately and is critical for the reliability of the fuel cell system. Thus, an innovative degradation prediction method using Grid Long Short-Term Memory (G-LSTM) recurrent neutral network (RNN) is proposed. LSTM can effectively avoid the gradient exploding and vanishing problem compared with conventional RNN architecture, which makes it suitable for the prediction of long time period. By paralleling and combining the LSTM cells, G-LSTM architecture can further optimize the prediction accuracy of the PEMFC performance degradation. The proposed prediction model is experimentally validated by three different types of PEMFC: 1.2 kW NEXA Ballard fuel cells, 1 kW Proton Motor PM200 fuel cells and 25 kW Proton Motor PM200 fuel cells. The results indicate that the proposed G-LSTM network can predict the fuel cell degradation in a precise way. The proposed G-LSTM deep learning approach can be efficiently applied to predict and optimize the lifetime of fuel cell in transportation applications.

Les travaux présentés dans cette thèse s’inscrivent dans le cadre de l’électrification des sous-systèmes embarqués notamment pour des véhicules électriques/hybrides. Dans ce domaine, un des objectifs permanents est la réduction des coûts et des délais lors de la conception de chaînes d’actionnement mécatroniques. Pour y parvenir, il est nécessaire de doter le concepteur de méthodologies et d’outils adaptés lui permettant de fiabiliser sa démarche de conception et de lever le maximum de risques avant de réaliser les premiers prototypes. Ces systèmes mécatroniques embarqués mobilisent des briques technologiques essentielles dont fait partie le convertisseur d’électronique de puissance. Les performances de ce système reposent sur la capacité des méthodologies de conception à considérer les contraintes pluridisciplinaires liées à son environnement, l’adéquation des technologies, des topologies et des lois de commandes. Ces travaux de thèse montrent comment nous pouvons répondre à ces exigences et besoins à travers le développement d’une méthodologie de conception multi-physique et multi-niveau de convertisseurs multicellulaires (entrelacés) prédisposés par essence à une reconfiguration aisée. Cette méthodologie, basée sur une optimisation sous contraintes multi-physiques, permet des choix systématiques d’architecture optimale et des technologies de composants à partir d’une base de données constructeurs. Elle intègre l’aspect fiabilité dans la conception dès la phase de pré-dimensionnement au même niveau que les autres contraintes (électriques, rendement, thermiques, encombrement, compatibilité électromagnétique). Afin de bien profiter des avantages de ce type de convertisseurs entrelacés, cette intégration de la fiabilité dans la conception «fiabilisation par conception» est parachevée par l’élaboration d’une architecture de commande tolérante aux défauts «fiabilisation par la commande» permettant, une fois le convertisseur conçu, d’augmenter sa disponibilité par reconfiguration matérielle ou logicielle (loi de commande). / This PhD thesis work is in the context of electric/hybrid vehicle embedded subsystems electrification. In mechatronic design field, the permanent objectives are costs and delays reducing. To achieve this, there is need of design methodologies and appropriate tools to perform a reliable design approach and leave maximum of risks before making the first prototypes. Embedded mechatronic systems mobilize technological brick keys which include the power electronic converter. Their performances are based on the capacity of the design methodologies to consider the environment multi-disciplinary constraints, the adequacy of the technologies, topologies and control laws. This thesis work shows how we can meet these requirements and needs through the development of multi-physics and multi-level design methodology for multi-level converters (interleaved) predisposed to an easy reconfiguration. This methodology, based on optimization under multi-physics constraints allows systematic choice of optimal architecture and component technologies from manufacturer database. It integrates the reliability aspect in the design since the pre-sizing process in the same level as the other constraints (electric, efficiency, thermal, volume, electromagnetic compatibility). In order take advantages of such interleaved converters, the integration of reliability in the design "reliability by design" is completed by the development of fault tolerant control architecture "reliability by control" which increase the availability by reconfiguring hardware or software (control law) of the designed converter.

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Dans une application d’équipement automobile, la conception optimale d’un actionneur nécessite la prise en compte simultané des différents phénomènes physiques ; tant qu’en termes de performances attendues ainsi que les contraintes à respectées. Ces physiques comprennent la performance électromagnétique / électromécanique, comportement thermique et le comportement vibro-acoustique. En prenant en compte le coût et la faisabilité en matières de fabrications, la machine synchro-réluctante (Syncrel) à rotor segmenté a été démontré intéressante pour une application avec des fortes contraintes d’encombrement et thermique. Cette étude a donc pour objective d’évaluer la capacité de la machine Syncrel dans ces différents physiques et démontre les interactions entre eux, qui peuvent affecter les performances de la machine en fonctionnement. Des modèles multi-physiques ont été développés et validés en utilisant une machine prototype conçu précédemment pour un actionneur d’embrayage électrique. En se servant des modèles validés, différents critères de performances des différentes topologies de rotor de la machine Syncrel ont été aussi comparés. A l’issue de l’étude, les modèles électromagnétiques, électromécaniques, thermiques et vibro-acoustiques valides sont à nos dispositions pour être utilisés dans la conception de machine Syncrel en future. La machine Syncrel avec rotor segmenté a été démontrée capable pour être utilisé dans l'application de l'embrayage électrique étudié en particulier. Suite à des évaluations de performance en physique différente, des pistes d'améliorations ont également été proposées. / In an on-board automotive environment, machines optimal design requires simultaneous consideration of numerous physical phenomena; both in terms of expected performance or in terms of constraints to be respected. The physics that can be affected includes the electromagnetic / electromechanical performance, thermal behavior and vibro-acoustic behavior. Among a large choice of machine, with the manufacturer cost and manufacturing concern taken en into account, the synchronous reluctance machine with segmented has been found to be particularly interesting for application with severe ambient temperature and encumbrance limitation. This study has therefore as objectives to evaluate the capacity of the synchronous reluctance machine in ail physics mentioned and eventually shows the interaction between these physics, thus performance alteration of the machine in operated in the automobile equipment environment. Multi-physics model were developed and confronted to experimental validations using a prototype machine that was developed for an electrical clutch. Using the validated model, different performance figures of synchronous reluctance machines with different rotor topologies were compared. Resulting from the study, valid electromagnetic, electromechanical, thermal and vibro-acoustic models are now available to be used as tools in future machine design. The synchronous reluctance with segmented rotor prototype machine has been shown to be capable to be used in the electrical clutch application studied in particular. Following performance evaluations in different physics, suggestions of improvements have also been proposed.

Afin de définir une conception optimale d’un système électromécanique, celui-ci doit intégrer des contraintes toujours plus drastiques et de nombreux phénomènes physiques issus de : l’électromagnétique, l’aérothermique, l’électronique, la mécanique et l’acoustique. L’originalité de cette thèse est de proposer une modélisation multi-physique pour la conception reposant sur des modèles à constantes localisées : solution intermédiaire entre la modélisation analytique et numérique. Ces différents modèles permettront l’étude et la conception sous contraintes d’une machine synchrone à aimants permanents dédiée pour la traction ferroviaire. Les résultats de simulations seront comparés à des résultats éléments finis mais aussi à des essais expérimentaux. Ce modèle multi-physique est entièrement paramétré afin d’être associé à des outils d’optimisation. On utilisera ici une optimisation par essaim de particules pour chercher des compromis entre différents objectifs sous forme de Front de Pareto. Dans ce papier, nous ciblerons les objectifs suivants : le couple d’origine électromagnétique et le bruit d’origine électromagnétique. Finalement une étude de sensibilité valide la robustesse de la conception retenue quand celle-ci est soumise aux contraintes de fabrication. L’objectif étant de poser les bases d’un outil d’aide à la décision pour le choix d’une machine électrique / In order to perform an optimal design of electromechanical system, the designer must take into account ever more stringent constraints and many physical phenomena from electric, magnetic, aeraulic, thermic, electronic, mechanic and acoustic. The originality of this thesis is to put forward a multi-physic design based on lumped models: halfway between analytical and numerical modeling. These models allow sizing a permanent magnet synchronous machine under constraints for rail traction. The results are validated with finite element simulations and experimental analysis. The multi-physic modeling is fully automated, parameterized, in order to combine the model with the optimization tool. We used here particle swarm optimization to search compromises between several objectives (Pareto Front). In this paper, we focus on electromagnetic torque and electromagnetic noise. Finally a sensitive study validates the robustness of selected design when it is subjected to manufacturing constraints. The aim of this work is to propose a decision tool to size electrical machines

The main focus of this research is the transformation induced fatigue behavior of shape memory alloy (SMA) actuators undergoing thermally induced martensitic phase transformation. The recent development of aerospace applications employing shape memory alloys (SMAs) has expanded the need for fatigue life characterization and modeling. Lightweight, compact and with a great work output, SMAs are ideal materials for actuated structural components. However, fatigue life becomes a key factor in applications such as commercial airplanes. Therefore, it is necessary to not only perform fatigue testing but also to investigate the causes of fatigue failure. As a new class of materials, SMAs have unique characteristics and require novel test methodologies to conduct repeatable and reliable fatigue testing. For this research, two materials are being investigated: TiNiCu and Ni-rich NiTi. The experiments performed on the first selected alloy, i.e. TiNiCu SMA, explore three major parameters: the applied stress level, the amount of actuation, and the corrosive nature of the environment. Experimental results show that SMAs undergoing transformation induced fatigue exhibit a low-cycle fatigue behavior and the measurement of the accumulated plastic strain at failure is associated to a Manson-Coffin type failure criterion. Investigations conducted on the post-mortem microstructure showed evidence of a multiphysical coupling between corrosion and cyclic phase transformation, from which a novel cyclic damage mechanism is proposed and explained using the micromechanical shear lag model accounting for actuation and accumulated plastic strains. Thereafter, based upon the identified failure mechanism and considering damage accumulation through crack formation, a stress renormalization procedure is proposed in combination with the Miner’s rule to predict the reduction of number of cycles to failure due to cyclic phase transformation and corrosion. A direct method is first presented and the predictions show good agreement with experimental results. However, both corrosion and corrosion-free fatigue data are required. Therefore, a new approach is proposed: the inverse Miner’s rule, which requires corrosion fatigue data only to predict corrosion-free life. The new and attractive properties of the selected second alloy, i.e. Ni-rich NiTi SMA, have revived the motivation of the aerospace industry to design SMA actuators. One particular property is cyclic stability generated by precipitation hardening mechanism using precipitates. However, are also precipitates due to high Nickel content (60 wt.% or 55 at.%). Parameters such as processing, heat treatments, size effects, surface quality and environment are investigated. Thermomechanical response and fatigue life are discussed and the greatest impact is found to come from specimen surface quality. Finally, a detailed fractography presents the different microstructural aspects of the fatigue damage and concludes to a precipitation driven fatigue failure mechanism cause by precipitates.

L'objectif de cette thèse est de fournir des méthodes et outils numériques dédiés à la conception préliminaire de systèmes multi-physiques, avec une attention particulière quant à l'évaluation des transferts thermiques mis en jeu dans les actionneurs et les systèmes électriques embarqués. Ce besoin émane de la recherche industrielle actuelle menant au développement de l'avion plus électrique ("More Electrical Aircraft " - MEA), qui met en œuvre de nouvelles technologies de systèmes embarqués où la gestion thermique de tels dispositifs est primordiale. Dans un premier temps, cette thèse propose une méthodologie basée sur l'analyse dimensionnelle et les modèles de substitution pour générer des modèles analytiques à partir de simulations éléments finis. De plus, une méthodologie de génération de plans d'expériences optimaux adaptée à l'utilisation du formalisme adimensionnel est également proposée. Dans un deuxième temps, deux approches numériques permettant de réduire le nombre de variables adimensionnelles d'un problème et d'étudier leur significativité physique sont proposées. La première approche utilise l'analyse de sensibilité d'une façon originale pour mettre en avant la significativité des nombres adimensionnels du problème considéré. La deuxième approche fait appel à des algorithmes d'optimisation pour réduire le nombre de variables adimensionnelles d'un problème. Enfin, les méthodes proposées ont été appliquées avec succès pour modéliser les composants d'un actionneur électromécanique d'aileron (moteur électrique de type brushless, carter mécanique), et d'un convertisseur de puissance électrique (condensateur, inductance, dissipateur) utilisé dans le contexte aéronautique. / The objective of this thesis is to develop methods and tools dedicated to the preliminary design of multi-physical systems, with a particular attention to the thermal modelling of actuators and embedded electrical systems. This need arises from the current industrial research which led to the More Electrical Aircraft program (MEA), which deals with new technologies of embedded systems where the thermal management of such devices is essential. First of all, this thesis proposes a methodology based on dimensional analysis and surrogate modelling technique to generate analytical models from finite element simulations. Furthermore, a methodology for constructing optimal design of experiments intended for building surrogate models using dimensionless variables is also proposed. Finaly, two numerical approaches which enable to reduce the number of dimensionless variables of a problem and to study their physical significance are proposed. The first approach uses sensitivity analysis in an original way to highlight the physical significance of the dimensionless numbers for a considered problem. The second approach uses optimization algorithms to reduce the number of dimensionless variables. In the second part of the thesis, the proposed methods were successfully applied to model several components of an electromechanical actuator (EMA) of an aileron (electrical brushless motor, mechanical housing, etc.), and of a power converter (capacitor, inductance, heatsink) used in an aeronautical context.

Cette thèse traite du problème de l'écoulement d'un fluide dans des interfaces étroites entre des solides en contact sous un chargement normal, ce qui est important pour de nombreuses applications en tribologie, ingénierie et géophysique. Le traitement de ce problème nécessite de prévoir un couplage entre la mécanique des fluides et celle des solides. Les contraintes liées à la présence du contact, ainsi que les caractéristiques complexes de la géométrie de surface rajoutent un niveau de complexité significatif. Dans cette thèse, un solveur monolithique par éléments finis permettant la gestion du contact frottant, des écoulements visqueux incompressibles et du transfert des efforts induits par le fluide sur le solide est développé. De plus, la possibilité que le fluide se retrouve piégé dans des cavités délimitées par des zones de contact est prise en compte par l'élaboration d'un nouvel élément dit "de fluide piégé", qui utilise une loi de comportement compressible non linéaire. Le code résultant de cette méthode comprend des algorithmes d’analyse d’image permettant de distinguer les zones de contact, d’écoulement de fluide et de fluide piégé. En outre, le code convient aux approches de couplage uni- et bidirectionnel. Le cadre développé a été appliqué dans un premier temps à l'étude d'un fluide piégé entre un solide déformable présentant une surface de contact ondulée et un plan rigide. Pour un système soumis à une charge externe croissante, nous avons examiné l'évolution de la surface de contact et du coefficient de frottement global en fonction des propriétés du fluide et du solide, ainsi que de la pente du profil de surface. Nous avons ensuite étudié l’écoulement d’un fluide entre un plan rigide et un solide déformable avec une géométrie modèle ou une surface rugueuse. Nous avons obtenu une solution analytique approchée qui gouverne le flux de fluide à travers une interface de contact ondulée, et cette dernière a été comparée à nos résultats numériques. Enfin, nous avons montré pour un intervalle de paramètres physiquement pertinents, que le couplage unidirectionnel sous-estime, par rapport à une approche bidirectionnelle, la perméabilité de l’interface ainsi que la charge externe critique nécessaire à la fermeture de l’interface. Une loi phénoménologique raffinée de perméabilité macroscopique des interfaces de contact rugueuses a été proposée. Enfin, le cadre développé a été utilisé pour calculer l'évolution de la fuite de fluide à travers une interface de contact métal sur saphir en utilisant un comportement matériau élasto-plastique et des mesures réelles de la rugosité de surface. / This thesis deals with the problem of a thin fluid flow in narrow interfaces between contacting solids subject to a normal loading, which is relevant for a range of tribological and engineering applications, as well as for geophysical sciences. The treatment of this problem requires coupling between fluid and solid mechanics, further complicated by contact constraints and potentially complex geometrical features of contacting surfaces. In this thesis a monolithic finite-element framework for handling frictional contact, thin incompressible viscous flow and transfer of fluid-induced tractions to the solid is developed. Additionally, we considered fluid entrapment in "pools" delimited by contact patches and formulated a novel trapped-fluid element using a non-linear compressible constitutive law. This computational framework makes use of image analysis algorithms to distinguish between contact, fluid flow and trapped fluid zones. The constructed framework is suitable for both one- and two-way coupling approaches. First, the developed framework was applied to a study of a fluid trapped between a deformable solid with a wavy surface and a rigid flat. We showed how the contact area and the global coefficient of friction evolve under increasing external load, depending on fluid and solid properties and on the slope of the surface profile. Next, we studied a thin fluid flow between a rigid flat and a deformable solid with a model geometry or random surface roughness. An approximate analytical solution for the fluid flow across a wavy contact interface was derived and compared with numerical results. We showed that for a range of physically relevant parameters, one-way coupling underestimates the interface permeability and the critical external load needed to seal the interface, compared to the two-way approach. A refined non-local phenomenological law for macroscopic permeability of rough contact interfaces was proposed. Finally, the developed framework was used to calculate the evolution of the fluid leakage through a metal-to-sapphire contact interface using an elasto-plastic material behaviour and real measurements of surface roughness.

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.