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.

The objective of this study is to develop a robust portable nano-calorimeter sensor for detection of energetic materials, primarily explosives, combustible materials and propellants. A micro-cantilever sensor array is actuated thermally using bi-morph structure consisting of gold (Au: 400 nm) and silicon nitride (Si3N4: 600 nm) thin film layers of sub-micron thickness. An array of micro-heaters is integrated with the microcantilevers at their base. On electrically activating the micro-heaters at different actuation currents the microcantilevers undergo thermo-mechanical deformation, due to differential coefficient of thermal expansion. This deformation is tracked by monitoring the reflected ray from a laser illuminating the individual microcantilevers (i.e., using the optical lever principle). In the presence of explosive vapors, the change in bending response of microcantilever is affected by the induced thermal stresses arising from temperature changes due to adsorption and combustion reactions (catalyzed by the gold surface). A parametric study was performed for investigating the optimum values by varying the thickness and length in parallel with the heater power since the sensor sensitivity is enhanced by the optimum geometry as well as operating conditions for the sensor (e.g., temperature distribution within the microcantilever, power supply, concentration of the analyte, etc.). Also, for the geometry present in this study the nano-coatings of high thermal conductivity materials (e.g., Carbon Nanotubes: CNTs) over the microcantilever surface enables maximizing the thermally induced stress, which results in the enhancement of sensor sensitivity. For this purpose, CNTs are synthesized by post-growth method over the metal (e.g., Palladium Chloride: PdCl2) catalyst arrays pre-deposited by Dip-Pen Nanolithography (DPN) technique. The threshold current for differential actuation of the microcantilevers is correlated with the catalytic activity of a particular explosive (combustible vapor) over the metal (Au) catalysts and the corresponding vapor pressure. Numerical modeling is also explored to study the variation of temperature, species concentration and deflection of individual microcantilevers as a function of actuation current. Joule-heating in the resistive heating elements was coupled with the gaseous combustion at the heated surface to obtain the temperature profile and therefore the deflection of a microcantilever by calculating the thermally induced stress and strain relationship. The sensitivity of the threshold current of the sensor that is used for the specific detection and identification of individual explosives samples - is predicted to depend on the chemical kinetics and the vapor pressure. The simulation results showed similar trends with the experimental results for monitoring the bending response of the microcantilever sensors to explosive vapors (e.g., Acetone and 2-Propanol) as a function of the actuation current.

L'objectif principal de cette thèse est l'évaluation de la technologie de chauffage par micro-ondes et son applicabilité dans l'étape de densification, dans le cadre d’un procédé de recyclage des déchets nucléaires à très longue vie et ensuite le suivi du procédé de frittage de l'oxyde de cérium, simulant de l’oxyde de plutonium. Dans ce travail, nous avons développé un système permettant de déterminer les propriétés diélectriques de l'oxyde de cérium et avons fait une étude comparative entre le frittage par chauffage micro-ondes dans une cavité monomode et le frittage conventionnel dans un dilatomètre classique pour deux poudres de cérine: l’une de taille micrométrique, la seconde de taille nanométrique. En outre, nous avons effectué des simulations numériques sur la base d’un modèle couplant électromagnétisme et transfert de chaleur. Ces travaux ont montré l’effet de la taille d’une particule sphérique modèle sur le champ électrique (E) dans la particule et autour d’elle. Dans le cadre d’empilements modèles, nous avons montré que la présence d’un cou entre ces particules, leur orientation par rapport au champ E et le nombre de particules constitutives de cet empilement jouent un rôle déterminant sur l’intensité du champ E, ce qui a des conséquences sur le chauffage des particules. / The main objective of this thesis is the evaluation of the heating by microwave technology and its applicability in the densification step, as a part of nuclear long life wastes recycling process and then the following up of the sintering of cerium oxide, a non-radioactive simulant of plutonium oxide. In this work, we developed a system for determining the dielectric properties of cerium oxide and made a comparative study between the sintering by microwave heating in a single-mode cavity and the conventional sintering in a dilatometer for two different powders of ceria: the first one has a micrometric particle size and the second has a nanometric one. In addition, we performed several numerical simulations on the basis of a model coupling electromagnetics and heat transfer. In these works, we have shown the effect of the size of a spherical model particle on the electric field (E) inside and around the particle. In the framework of a packing model of particles, the presence of a neck between these particles, their orientation relative to E field, and the number of these particles showed a decisive role in the intensity of the E field which has a direct impact on the heating of the particles.

Cette thèse a pour objectif d’apporter un ensemble d’outils logiciels s’inscrivant dans une méthodologie globale de conception de systèmes mécatroniques. Elle arrive en complément de travaux déjà menés au sein du laboratoire sur le pré-dimensionnement d’actionneurs aéronautiques de nouvelle génération : les actionneurs électromécaniques (EMA). Cette technologie apporte de nouvelles problématiques qui forcent les ingénieurs à modifier leur processus de développement et ce dès la phase de spécification où des profils de mission devront être générés/transformés/analysés de manière à simplifier la conception et assurer leur validation. Une toolbox Simulink a donc été créée dans cette thèse pour répondre à ce besoin de transformation de l’information entre avionneur et systémier. Comme tout système embarqué, le concepteur fait face à des compromis entre performances, durée de vie et intégration, qui peuvent se résumer à un problème d’optimisation décrit par un ensemble d’équations et de contraintes. Un effort particulier de description a été mené sur le conditionnement de ces équations sous la forme d’un séquencement de calculs explicites adaptés aux algorithmes d’optimisation. La méthode et son implémentation logicielle, toutes deux basées sur la théorie des graphes, interagissent avec le concepteur de manière à l’informer des erreurs de singularité ou de bouclages algébriques apparaissant dans son problème et à lui fournir des pistes de résolution. Pour finir, des études de pré-dimensionnement d’actionneurs de train d’atterrissage et de surfaces de vol primaires (aileron et spoiler), réalisées dans le cadre de cette thèse, dresseront les possibilités offertes par cette approche innovante : conception intégrée avec une cinématique complexe, conception collaborative pluri-partenaires découplée, utilisation de surfaces de réponse pour accélérer l’optimisation / The aim of this thesis is to bring a package of software tools included in a whole methodology dealing with mechatronic systems design. It comes as an add-on to the work already carried out at the laboratory in the field of the new generation of aircraft actuation systems: electromechanical actuators (EMA). This technology triggers new problematics leading the engineers to modify their development process as early as the specification phase, when mission profiles have to be generated/transformed/analyzed in order to simplify the design and ensure the validation step. Thus a Simulink toolbox has been created to meet the need for an information translator working as an intermediate between airframer and system-supplier. As for all the embedded systems, the designer has to face some performance-lifetime-integration trade-off, which can be considered as an optimization problem described by a set of equations and constraints. Particular attention is paid here to the conditioning of those explicit equations in order to obtain a standardized calculation sequence adapted to many optimization algorithms. The method and implemented software, both based on the graph theory, interact with the designer to inform him on the possible singularity and algebraic loop issues, providing some leads for their resolution. Finally, some preliminary sizing studies of landing gear and primary flight control surfaces (aileron and spoiler) actuation systems are presented to highlight the possibilities brought out by this innovative approach: integrated design with complex kinematics, collaborative multi-partners design, use of response surfaces to speed up the optimization