Nos travaux portent sur l’étude du dimensionnement d’une chaîne d’actionnement au moyen d’une optimisation multi-physique. L’approche est de type « système », puisqu’il s’agit d’étudier l’association de filtres électroniques, d’un convertisseur de puissance DC-DC, d’un moteur à courant continu et d’une commande, en prenant en compte la transformation électromécanique de l’énergie ainsi que les comportements thermiques du système. L’intégration de la problématique de compatibilité électromagnétique (CEM) conduite est aussi abordée. Le travail consiste tout d’abord à modéliser chacune des physiques à prendre en compte pour chacun des sous-systèmes, puis de coupler les modèles obtenus afin de pouvoir mener des optimisations. L’algorithme d’optimisation utilisé est de type évolutionnaire. La démarche est appliquée sur le cas industriel d’une vanne EGR (Exhaust Gas Recirculation). Dans ce cadre, l’objectif est de minimiser l’encombrement du système tout en s’assurant que ses performances sont cohérentes avec le cahier des charges ainsi que les contraintes thermiques et CEM. Au-delà de l’application, la démarche permet de s’interroger sur les différents niveaux de modélisation et les moyens de couplages adéquats des modèles, dans le cadre d’une optimisation coûteuse en temps de calcul. / This thesis focuses on the design of a power conversion system using a multiphysic optimization. A system approach is applied, since the electronic filters, a DC-to-DC converter, a DC motor, and the system control are considered simultaneously. The electromechanical energy transformation is of prime importance, although the thermal behavior of the entire system is also significant. Conducted electromagnetic compatibility (EMC) issues are discussed and integrated in our approach. The first step of the methodology is the establishment of the various physical models for each sub-system. Then, these models must be coupled so that an optimization algorithm can be applied. In this work, an evolutionary algorithm is used. The approach is tested on an industrial study-case – an EGR (Exhaust Gas Recirculation) valve. In this framework, the objective is to minimize the geometrical size of the system, while ensuring that the performance imposed by the specifications is achieved and that we conform to the thermal and EMC constraints.Beyond this application, the underlying issues of the modeling level and the means of coupling the various models are addressed in the context of a time-consuming optimization.

Le développement des convertisseurs d'électronique de puissance pour les applications aéronautiques nécessite de travailler sur les modules de puissance. Le but est d'obtenir des systèmes fiables et compacts, points qui sont critiques dans les applications embarquées. Le dimensionnement reste un point délicat à cause de la multitude des composants présents et des physiques mises en jeu. L'étude s'intéresse à la modélisation des phénomènes liés aux aspects thermiques et à la compatibilité électromagnétique. Son originalité porte sur l'optimisation des solutions réalisées qui réduit simultanément, dès la phase de conception, les disparités thermiques et les courants perturbateurs. Ce travail s'inscrit parfaitement dans le cadre du prototypage virtuel des convertisseurs. Dans un second temps, deux solutions ont été proposées pour réduire encore plus l'émission des courants perturbateurs. Ce travail constitue une avancée importante dans la conception des convertisseurs.

Le verrou de l'intégration de la simulation multi-physique dans la conception des systèmes mécatroniques est lié, entre autres, aux problèmes d'interopérabilité entre les outils de simulation. Ces problèmes engendrent des difficultés pour assurer des optimisations multidisciplinaires. Dans cette thèse, nous avons développé une approche de conception intégrée permettant de franchir cet obstacle. Cette approche s'appuie sur l'utilisation d'une plateforme d'intégration permettant de coupler divers outils de modélisation et de simulation. La modélisation du comportement multi-physique des composants au niveau détaillé est assurée par les méta-modèles, également utilisés pour l'optimisation multidisciplinaire des composants du système mécatronique. Ces méta-modèles permettent aussi d'intégrer le comportement multi-physique des composants et des modules mécatroniques pour la simulation au niveau système. Cette approche a été validée avec une modélisation d'un véhicule électrique. Ainsi, le niveau conceptuel de modélisation a été effectué avec le langage de modélisation des systèmes SysML et la véri_cation d'un test de performance d'accélération a été réalisée avec le langage de modélisation Modelica. Le module de conversion de puissance électrique du véhicule avec les fils de bonding a été modélisé avec la CAO 3D et son comportement multi-physique a été vérifié avec la méthode des éléments finis. Des méta-modèles sont ainsi élaborés en utilisant les techniques de surfaces de réponse et les réseaux de neurones de fonctions à base radiale. Ces méta-modèles ont permis ensuite d'effectuer des optimisations géométriques bi-niveaux du convertisseur de puissance et des fils de bonding. Le comportement électro-thermique du convertisseur de puissance et celui thermo-mécanique des fils de bonding ont été alors intégrés au niveau système à travers les méta-modèles. Les résultats montrent la flexibilité de l'approche du point de vue échange des méta-modèles et optimisation multidisciplinaire. Cette approche permet ainsi un gain très important du temps de conception, tout en respectant la précision souhaitée.

La compréhension des couplages hydro-mécaniques pouvant influencer le comportement mécanique d’un polymère semi-cristallin (PSC) sous forte pression d’eau est à l’origine de ce travail de recherche.Afin de décrire des phénomènes de diffusion d’eau et leurs impacts sur le comportement mécanique du matériau lors d’un chargement multiaxial, l’influence des caractéristiques microstructurales sur le comportement diffuso-mécanique du matériau a été considérée dans la modélisation. Un modèle de comportement mécanique permettant de rendre compte du phénomène de cavitation généré par d’importantes déformations en traction et de l’évolution du comportement mécanique macroscopique vis-à-vis de la pression de confinement est ainsi couplé à un modèle de sorption dépendant de l’état microstructural du matériau. Une représentation multiphasique à différentes échelles est considérée : à une échelle ‘macroscopique’, le polymère cavité sous pression d’eau est assimilé à un milieu poreux constitué d’une phase solide (PSC) et une phase fluide (l’eau saturant les pores). A l’échelle du polymère, le comportement viscoplastique du PSC est modélisé à partir de la thermodynamique des milieux poreux, appuyé dans une représentation mésoscopique de sa microstructure, où le réseau cristallin interagit avec l’amorphe libre.Le modèle couplé a été implémenté dans un code de calcul par Eléments Finis. Les résultats de simulation démontrent la potentialité du modèle proposé, notamment sa capacité à capter des phénomènes de couplage entre la microstructure du matériau, la diffusion d’espèces et l’état de contraintes et déformations locales du matériau, permettant ainsi d’explorer des voies de compréhension des observations expérimentales. / Comprehension of the hydro-mechanical coupling affecting the mechanical behavior of a semicrystalline polymer (SCP) under high water pressure was the motivation of this research work.In order to describe the water diffusion phenomenon and its impact on the mechanical behavior of the SCP when multiaxial stresses are applied, the effect of the microstructure on the diffuso-mechanical behavior of the polymer was considered for modeling. A constitutive model including void nucleation and growth induced by large strains, and a dependence of the macroscopic mechanical behavior on hydrostatic pressure, is then coupled with a sorption model depending on the microstructure of the polymer.A multiphase representation at two scales is considered: at a ‘macroscopic’ scale, the cavitated SCP under water pressure is considered to be a saturated porous medium with the SCP as the solid phase, and the water saturating the voids as the fluid phase.At a lower scale, the viscoplastic behavior of the SCP has been modeled from the thermodynamics of porous media based on a meso-scale representation of its microstructure with the crystalline lamellae interacting with the free amorphous.The coupled model was implemented into a finite elements code. The simulation results demonstrate the potential of the proposed model, in particular its capability to take into account coupling phenomena between the microstructure of the material, species diffusion and the local state of stresses and strains which contributes to the comprehension of experimental observations.

Une des composantes clefs pour l'amélioration de la qualité et de l'efficacité énergétique du procédé de cuisson est la capacité à modéliser et simuler celui-ci. Dû à la nature physique et géométrique de ce procédé très complexe, les techniques de Computational Fluid Dynamics (CFD) représentent un puissant outil de modélisation. Or, le recours aux méthodes CFD pour simuler la cuisson est une tendance récente et il n'y a pas encore de modèle couplant transfert de chaleur et de masse tout en considérant à la fois l'enceinte et le produit. Cette thèse présente un travail de recherche précurseur dans la modélisation CFD et multi-physique du procédé de cuisson, en particulier au niveau du couplage enceinte-produit. Dans un premier temps, considérant principalement l'enceinte, la simulation tridimensionnelle d'un four de laboratoire est réalisée en considérant le modèle k-epsilon realizable pour la turbulence et le modèle de radiosité S2S pour le rayonnement. En modélisant en détail un instrument de mesure au centre du four, la simulation est comparée aux mesures expérimentales. Il est ainsi démontré que la température des parois rayonnantes est un paramètre critique, due à la dominance du transfert par rayonnement. Une connaissance limitée de ces températures réduit la précision du modèle. Deuxièmement, afin de palier ce désavantage, une méthode inverse originale est développée afin de déterminer la température rayonnante des parois à partir de mesures d'un instrument placé au centre du four. Les résultats démontrent l'efficacité de la méthode tant dans sa capacité à retrouver les températures de parois que dans sa légèreté en coût de calcul. Ce dernier étant un avantage certain lorsque la méthode est implantée dans un code CFD, car ces codes sont intrinsèquement très intensifs en quantité de calcul. Finalement, un modèle couplant enceinte et produit en cuisson est modélisé et simulé. Le produit de cuisson est considéré multiphasique (eau liquide, vapeur et pâte sèche). Le changement de phase est modélisé avec une formulation originale où le taux d'évaporation obéit à une équation hors équilibre en dessous de 100°C, puis à une équation d'ébullition à partir de cette température. Grace à un maillage dynamique, un front d'évaporation est simulé pour la première fois en 2 dimensions Afin de tenir compte de la participation de l'humidité dans l'enceinte du four, le modèle de rayonnement Discrete Ordinates est utilisé. La simulation de l'évolution de la température ainsi que des phases liquide et vapeur dans le pain est en accord avec les comportements reconnus dans la littérature. Combiné à une corrélation reconnue pour le coefficient d'absorption, l'effet de l'humidité dans l'enceinte sur les flux de rayonnement est quantifié. Entre autre, une réduction significative de ces flux est observée lorsque les parois rayonnantes sont plus chaudes que l'air du four. La pose d'un modèle multi-physique englobant autant l'enceinte que le produit en cuisson est très prometteur pour l'amélioration du contrôle du procédé de cuisson. Ce travail de recherche développe un tel modèle et aboutit à des techniques originales de modélisation et de simulation propres à l'implantation dans les codes CFD.

Dans la concurrence accrue qui caractérise la société actuelle, la maîtrise des délais d'étude et de la qualité passe par une instrumentation de la démarche de conception. L'accélération du renouvellement des produits et de la mise en œuvre des technologies innovantes, l'introduction de nouvelles contraintes liées au développement durable et la définition des objectifs de conception non plus au niveau des actionneurs mais davantage au niveau du système remettent en cause les anciennes stratégies heuristiques de conception. Face à la complexité des nouvelles conceptions, une instrumentation de la démarche est faite par l'emploi des techniques d'optimisation et d'outils de modélisation au sein de stratégies rationnelles.<br />Une conception optimale résulte ainsi de la bonne adéquation entre les modèles, les algorithmes d'optimisation, les formulations mathématiques et les démarches de conception les mettant en œuvre. Ce mémoire présente chacun de ces éléments et met en exergue leurs interactions. Les formulations sont multiples et il revient au concepteur de choisir celle qui convient à son application. Des transformations permettent de passer d'un formalisme à un autre et apportent une plus grande souplesse dans la démarche de conception. Les modèles les plus utilisés pour la conception des dispositifs électrotechniques sont classés en trois catégories : les modèles analytiques, les modèles éléments finis, et les modèles semi-numériques. Leurs propriétés sont complémentaires et aucune catégorie ne domine une autre mais chacune réalise un compromis optimal entre la précision et le temps de calcul. Enfin, les caractéristiques des algorithmes sont souvent complémentaires et l'hybridation est une solution efficace pour réduire le temps d'optimisation et augmenter la précision.<br />Des optimisations menées avec plusieurs algorithmes et modèles confirment les fortes interactions qui existent entre les choix d'un modèle, d'un algorithme et d'une formulation. Au-delà des caractéristiques intrinsèques des algorithmes, leur mise en œuvre pour l'optimisation des dispositifs électrotechniques reste l'épreuve de vérité et apporte quelques surprises. La maîtrise d'une diversité de modèles, d'algorithmes et de formulations garantit au concepteur d'arriver de façon rationnelle à un dispositif optimal.<br />Les perspectives de recherche à moyen terme concernent les algorithmes d'optimisation déterministes globaux à variables mixtes et les modèles et algorithmes capables de faire des choix structurels et de matériaux. Les perspectives à long terme portent sur l'optimisation systémique multi-niveau et multi-échelle.

SALOME est une plate-forme générique Open Source de Pré-Post traitement destinée à être spécialisée pour y intégrer des codes de calcul existants. Elle intègre plusieurs modules dans une architecture de composants distribués. Notre mission dans le cadre du projet SALOME a été la conception et la mise en œuvre technologique du module DATA, dédié à la description des propriétés physiques.En ce sens, nous avons réalisé un nouveau langage dédié à la description des modèles de données physiques : le SPML (SALOME Physics Modelling Language). Un métamodèle dédié à la description des propriétés physiques offre au langage SPML sa base sémantique. Pour réaliser une partie commune de communication entre des modèles représentant différents domaines de la physique, il a été développé un Modèle de Données Commun, matérialise par une librairie SPML réutilisable. La réalisation de l'IHM, notamment l'adaptation automatique de l'interface graphique aux modèles physiques décrits en SPML, font du module DATA un outil performant, qui permet une adaptation facile de la plate-forme, pour tout domaine de la physique. Nous avons réalisé une première connexion du solveur Flux, dans le cadre de la plate-forme pour des analyses magnétostatiques sur des problèmes décrits en SALOME.

Les réfractaires au contact de laitiers sidérurgiques sont soumis à des sollicitations complexes. Pour identifier les causes de leur dégradation, l'examen de cas industriels permet d'établir un schéma de couplages à trois pôles : imprégnation par les laitiers (IL), thermomécanique (TM) et changements de phases (CP). Les gradients de microstructure et de composition résultant du couplage IL-CP sont caractérisés par des observations au MEB et des analyses chimiques avec une sonde EDS ; un traceur naturel de l'imprégnation est identifié. Le couplage IL-TM est étudié en modélisant le comportement du revêtement soumis à un chargement thermique cyclique dans le cadre de la mécanique des milieux poreux saturés. Les paramètres régissant la localisation et l'amplitude de la pression interstitielle maximale sont exhibés et leurs influences étudiées. L'étude du pôle TM conduit à l'identification d'un modèle de comportement << monophasique >> de type thermoélastoviscoplastique de la bauxite à différents états d'imprégnation. Les simulations numériques indiquent que les contraintes développées lors de la montée en température favorisent l'écaillage, probablement amorcé par une surpression localisée.

Ce travail consiste à apporter une assistance à la conduite d'engins de manutention, en déchargeant le pilote du contrôle de l'organe terminal. Le système concerné est un engin de chantier équipé d'un bras poly-articulé actionné par des vérins hydrauliques. Le correcteur automatique d'assiette vise à maintenir quasi-constant l'angle de l'outil afin d'assurer le non-renversement de charges lors des phases de manutention. L'élaboration de la loi de commande du dernier vérin passe par une phase de modélisation multi-physique de l'engin, afin de prendre en compte ses spécificités mécaniques et hydrauliques, en particulier la non linéarité liée à la structure de l'embiellage de l'outil et la zone morte du servo-distributeur. Basés sur la seule utilisation de la mesure de l'inclinaison de l'outil, trois schémas de commande robustes ont été construits puis testés en simulation et sur engin : Retour d'Etat avec Observateur Etendu, Time delay Control, Sliding Mode Control. D'autre part, une stratégie originale consistant à contrôler l'angle du vecteur accélération de la charge, pour la maintenir plaquée sur l'outil, a également été examinée.

Le verrou de l'intégration de la simulation multi-physique dans la conception des systèmes mécatroniques est lié, entre autres, aux problèmes d'interopérabilité entre les outils de simulation. Ces problèmes engendrent des difficultés pour assurer des optimisations multidisciplinaires. Dans cette thèse, nous avons développé une approche de conception intégrée permettant de franchir cet obstacle. Cette approche s'appuie sur l'utilisation d'une plateforme d'intégration permettant de coupler divers outils de modélisation et de simulation. La modélisation du comportement multi-physique des composants au niveau détaillé est assurée par les méta-modèles, également utilisés pour l'optimisation multidisciplinaire des composants du système mécatronique. Ces méta-modèles permettent aussi d'intégrer le comportement multi-physique des composants et des modules mécatroniques pour la simulation au niveau système. Cette approche a été validée avec une modélisation d'un véhicule électrique. Ainsi, le niveau conceptuel de modélisation a été effectué avec le langage de modélisation des systèmes SysML et la véri_cation d'un test de performance d'accélération a été réalisée avec le langage de modélisation Modelica. Le module de conversion de puissance électrique du véhicule avec les fils de bonding a été modélisé avec la CAO 3D et son comportement multi-physique a été vérifié avec la méthode des éléments finis. Des méta-modèles sont ainsi élaborés en utilisant les techniques de surfaces de réponse et les réseaux de neurones de fonctions à base radiale. Ces méta-modèles ont permis ensuite d'effectuer des optimisations géométriques bi-niveaux du convertisseur de puissance et des fils de bonding. Le comportement électro-thermique du convertisseur de puissance et celui thermo-mécanique des fils de bonding ont été alors intégrés au niveau système à travers les méta-modèles. Les résultats montrent la flexibilité de l'approche du point de vue échange des méta-modèles et optimisation multidisciplinaire. Cette approche permet ainsi un gain très important du temps de conception, tout en respectant la précision souhaitée. / Difficulty of integrating multi-physics simulation in mechatronic system design is related, among others, to issues of interoperability between design tools, which lead to difficulties to ensure multidisciplinary optimizations. In this thesis, we have developed an integrated design approach to overcome this obstacle. This approach relies on the use of integrating platforms for coupling various design tools. Capture of multi-physics behaviour of components at detailed level is provided by meta-models which are also used for multidisciplinary optimization. These meta-models are therefore used to integrate multi-physics behaviour of mechatronic components and modules in system-level simulations. This approach has been validated with a design case of an electric vehicle. Conceptual design level has been performed with the Systems Modeling Language SysML and a verification of an acceleration performance test has been achieved with modeling language Modelica. Electric power converter with wire bondings has been modeled using 3D CAD and the multi-physics behaviour has been verified with finite elements method. Meta-models have then been developed for the power converter and wire bondings using techniques of response surfaces and neuronal networks of radial basis functions. These meta-models have been used to perform geometric bi-level optimizations of the components. Electro-thermal behavior of the power converter and thermo-mechanical behavior of the wire bondings have been integrated at system level through meta-models. Results show flexibility of the approach used in terms of exchange of meta-models and multidisciplinary optimization. Thus, this approach allows an important gain of design time while maintaining the desired accuracy.