Cette thèse est consacrée à la planification et l'exploitation d'expériences numériques à l'aide de modèles de remplacement (métamodèles), et plus particulièrement à la prise en compte des incertitudes induites par l'utilisation de ces métamodèles. Dans un premier temps, différentes méthodes sont proposées pour compenser ces incertitudes en biaisant les modèles afin de limiter le risque d'erreur 'défavorable' (méthodes conservatives). Cette étude s'appuie sur des applications en mécanique des structures, et en particulier, l'optimisation d'un système soumis a des contraintes de fiabilité. Cette thèse propose également deux contributions au domaine de la planification d'expériences numériques. D'une part, une méthode a été développée pour construire des plans permettant de minimiser l'erreur du modèle dans une région cible de l'espace de conception. Enfin, nous avons proposé des résultats pour la planification optimale des calculs dans le cas de simulateurs à réponse bruitées.

Cette thèse se place dans le cadre des expériences simulées auxquelles on a recours lorsque des expériences physiques ne sont pas réalisables. Une expérience simulée consiste à évaluer une fonction déterministe type boîte-noire coûteuse qui décrit un modèle physique. Les entrées de ce modèle, entachées d'incertitude, forment un vecteur aléatoire. Cela implique que les sorties que nous souhaitons étudier sont aléatoires. Une technique standard pour rendre possibles de nombreux traitements statistiques, est de remplacer la fonction type boîte-noire par un métamodèle d'évaluation quasi-instantanée l'approchant. Nous nous concentrons plus particulièrement sur les métamodèles d'interpolateurs à noyaux dont nous étudions la construction et l'utilisation. Dans ce cadre, une première contribution est la proposition d'une définition plus générale de noyau conditionnellement positif qui permet une vraie généralisation du concept de noyau défini positif et des théorèmes associés. Nous donnons ensuite, dans une deuxième contribution, un algorithme de construction de plans d'expérience dans des domaines éventuellement non hypercubiques suivant un critère maximin pertinent pour ces métamodèles. Dans une troisième contribution, nous traitons un problème statistique inverse en utilisant un métamodèle d'interpolateurs à noyaux dans un algorithme stochastique EM puisque le modèle liant les entrées aux sorties est de type boîte-noire coûteux. Enfin, nous proposons aussi, dans la dernière contribution, l'utilisation d'un tel métamodèle pour développer deux stratégies d'estimation et de majoration de probabilités d'événements rares dépen\-dant d'une fonction type boîte-noire coûteuse.

Cette thèse est une contribution à un projet dont l'objet est de construire un outil d'analyse fiable de la conduite en compétition de match-racing. Le comportement dynamique du voilier résulte de l'équilibre entre de nombreuses actions qu'il faut prendre en compte dans leur ensemble pour ne pas arriver à des conclusions erronées sur la performance et le comportement. Nous avons construit un simulateur dont la structure modulaire permettra d'intégrer les modèles de toutes les actions en présence au fur et à mesure que la connaissance progresse dans les différents domaines concernés. Des modèles empiriques éprouvés sont utilisés pour la partie aérodynamique. L'interaction aérodynamique est représentée par l'addition de deux modèles simples, une singularité de type tourbillon et un sillage plan auto préservé. Ces modèles sont globaux et relativement rudimentaire mais des investigations plus poussées semblent aujourd'hui aventureuses tant les paramètres de réglage des voiles sont nombreux et complexes. Nous avons privilégié l'étude des efforts hydrodynamiques stationnaires. Des campagnes d'essais ont été menées en adaptant des techniques expérimentales existantes. L'objectif était de quantifier l'influence des paramètres d'attitude, de vitesse et de position. La méthode des plans d'expériences a été mise en oeuvre pour structurer la démarche et pour construire des modèles simples et rapides compatibles avec la simulation en temps réel. La rigueur de cette méthode permet en outre de réaliser une analyse de l'erreur de mesure et de comparer différentes modélisations. Des exemples de simulation illustrent en fin de document les possibilités offertes par la version actuelle du simulateur

Dans ce travail nous proposons des stratégies d'optimisation par plans d'expériences numériques pour palier les difficultés rencontrées dans le processus d'optimisation de procédés de mise en forme. Parmi ces difficultés on peut rappeler : le retour élastique durant le pliage, l'usure de la matrice pendant l'extrusion ou la fatigue des outils, la recherche d'une solution globale ou l'échange des données entre l'outil de simulation et l'outil d'optimisation. Compte tenu de la forte non linéarité des phénomènes étudiés, nous avons développé une approche basée sur l'utilisation conjointe de la méthode des plans d'expériences, de la méthodologie de surface de réponse et la méthode des éléments finis, pour optimiser les performances du produit ou du procédé de fabrication. Le caractère numérique des expériences justifie la création et la mise au point d'un outil d'optimisation, afin d'automatiser et de faciliter l'application de la méthodologie de plans d'expériences et celle des stratégies d'optimisation par plans d'expériences à partir de simulations numériques. Il s'agit d'un outil informatique qui permet de déterminer de manière automatique et rapide, l'optimum d'un certain processus, permettant d'obtenir des produits respectant un certain nombre des critères de qualité. Afin de trouver les caractéristiques des processus de fabrication en accord avec la meilleure qualité possible des produits une des stratégies d'optimisation proposée dans ce rapport est basée sur une approche hybride qui utilise la puissance des trois méthodes : surface de réponse, calcul par intervalle et tolérencement mécanique. La validation de cette nouvelle méthode apportera une solution robuste à l'optimisation du procédé d'emboutissage.

Les dispersions affectant les structures fabriquées en série génèrent d'importants écarts de comportement entre des objets nominalement identiques. D'un point de vue vibro-acoustique, cette variabilité a été observée, quantifiée et ses origines ont même pu être identifiées et localisées sur certaines structures simples. Mais les effets de cette variabilité sur la perception du son émis par l'objet sont encore peu connus. Ce travail porte sur l'évaluation des effets des dispersions de structure sur l'identité sonore. Le son est aujourd'hui, à l'instar de n'importe quel composant du produit, conçu pour répondre aux attentes du client. Il se peut ainsi que l'identité sonore, résultat de cette phase de design sonore, soit elle aussi sujette à d'importantes variabilités. Dans un premier temps, la stabilité de descripteurs perceptifs utilisés classiquement pour décrire la perception de bruit intérieur d'automobiles a été évaluée sur un panel de véhicules dont les dispersions n'ont pas été contrôlées. L'évolution de l'identité sonore a ainsi été observée sur une population de produits. Puis l'étude s'est concentrée sur un système simple dont plusieurs caractéristiques physiques peuvent être finement contrôlées. Nous avons montré que la démarche par plan d'expérience fractionnaire peut être utilisée pour mesurer la contribution des facteurs et de leurs éventuelles interactions à la perception du bruit de ce système. Cette démarche a ensuite été utilisée pour un second cas, pour lequel les sons étaient synthétisés. Différentes analyses perceptives ont été menées (mesure de la similarité des objets dispersés par rapport à l'objet de référence et catégorisation libre des sons de synthèse), dont les résultats concordants ont permis de mettre en évidence les facteurs les plus influents. Cependant, une dernière expérience a montré que, malgré les dispersions pouvant affecter ces facteurs, des différences d'identité sonore peuvent être perçues sur un panel d'objets identiques mais ne conduisent pas à des confusions avec des objets nominalement différents.

La simulation numérique modélise des phénomènes toujours plus complexes. De tels problèmes, souvent de grande dimension, exigent des codes sophistiqués et coûteux en temps de calcul. Le recours systématique au simulateur devient alors illusoire. L'approche privilégiée consiste à définir un nombre réduit de simulations organisées selon un plan d'expériences numériques à partir duquel une surface de réponse est ajustée pour approcher le simulateur. Nous considérons ici les plans générés par des simulateurs déterministes en phase exploratoire i.e. lorsqu'il n'y a aucune connaissance a priori. Les plans requièrent donc certaines propriétés comme le remplissage de l'espace et la bonne répartition des points en projection. Deux indicateurs quantifiant la qualité intrinsèque des plans ont été développés. Le point essentiel de ce travail concerne un procédé de planification basée sur la simulation d'échantillons selon une loi de probabilité par une méthode de Monte Carlo par chaînes de Markov.

La libéralisation des marchés de l'électricité associée à l'intégration des énergies renouvelables a conduit à introduire la notion d'utilisation locale de ces nouvelles sources de production. L'objectif de ce travail est de proposer une méthodologie de supervision multi-niveaux et d'optimiser la supervision des ces unités de production. Le système hybride pris en compte dans cette thèse est une combinaison de trois microturbines à gaz, une centrale photovoltaïque, et un système de stockage à court terme (supercapacités), connecté à un réseau électrique. La supervision à moyen terme est un traitement du problème d'engagement unité (Unite Commitment Problem), qui consiste à coordonner la production d'unités génératrices, de façon à satisfaire une demande globale d'électricité prévisionnelle sur 24h tout en minimisant le coût du carburant et les émissions toxiques (CO et NOx) et en respectant les contraintes physiques et opérationnelles de chaque unité. Nous n'avons pas traité les rejets de CO2. Dans cette thèse, une supervision temps réel à base de logique floue a été proposée. Une méthodologie des plans d'expériences (Experimental Design Method EDM) a été suggérée afin d'améliorer la méthodologie graphique en minimisant certaines fonctions objectifs et optimisant les paramètres du superviseur flou. Cette stratégie de supervision a été finalement validée sur une centrale multisource combinant dispositifs réels et simulation temps réel.

On ne peut pas reproduire l'expérience d'une épidémie à l'échelle d'un pays ou d'une région. Or, en l'absence d'expérience reproductible, la notion usuelle de " validation " de modèle qui consiste à tester si le modèle A* d'un système A permet de reproduire le comportement de A, n'a aucun sens statistique.Marvin Minsky donne la définition suivante de ce qu'est un modèle: Pour un observateur B, un objet A* est un modèle d'un objet A s'il permet à B de répondre à une question qu'il se pose sur A. Nous appelons triade de Minsky, l'ensemble des trois objets A, B et A*. Nous proposons d'utiliser la Théorie de la Modélisation et de la Simulation (TMS) pour modéliser et simuler la triade de Minsky. Cela nous permet de modéliser la triade vue comme un système dynamique composée des objets A, B et A*. Nous pouvons ainsi nous interroger sur l'utilisation d'un modèle A* par un utilisateur B et sur l'impact que cette utilisation a sur la trajectoire du système A.Nous appliquons ce cadre à une triade de Minsky empruntée à notre contexte d'étude. Il s'agit d'un cas d'école où une épidémie (l'objet A) est observée et contrôlée par un système de surveillance et de contrôle (l'observateur B) et où un modèle épidémiologique (A*) est utilisé pour évaluer les mesures de contrôle.

On ne peut pas reproduire l'expérience d'une épidémie à l'échelle d'un pays ou d'une région. Or, en l'absence d'expérience reproductible, la notion usuelle de « validation » de modèle qui consiste à tester si le modèle A* d'un système A permet de reproduire le comportement de A, n'a aucun sens statistique.Marvin Minsky donne la définition suivante de ce qu'est un modèle: Pour un observateur B, un objet A* est un modèle d'un objet A s'il permet à B de répondre à une question qu'il se pose sur A. Nous appelons triade de Minsky, l'ensemble des trois objets A, B et A*. Nous proposons d'utiliser la Théorie de la Modélisation et de la Simulation (TMS) pour modéliser et simuler la triade de Minsky. Cela nous permet de modéliser la triade vue comme un système dynamique composée des objets A, B et A*. Nous pouvons ainsi nous interroger sur l'utilisation d'un modèle A* par un utilisateur B et sur l'impact que cette utilisation a sur la trajectoire du système A.Nous appliquons ce cadre à une triade de Minsky empruntée à notre contexte d'étude. Il s'agit d'un cas d'école où une épidémie (l'objet A) est observée et contrôlée par un système de surveillance et de contrôle (l'observateur B) et où un modèle épidémiologique (A*) est utilisé pour évaluer les mesures de contrôle. / The spread of a disease at national or international scale isn't a reproducible experiment. If experiment is not reproducible, the usual concept of model validation has no statistical meaning because it would involve the comparison between model behaviour and system behaviour.We use Marvin Minsky's definition of model: « to an observer B, an object A* is a model of an object A to the extent that B can use A* to answer questions that interest him about A ». The tree objects A, B and A* are the triad of Minsky. We propose to use the Theory of Modelling and Simulation (TMS) to model and simulate the triad seen as a dynamic system composed of the objects A, B and A*. We hence can answer questions about the use of A* and the impact it has on A.We apply this framework to a triad of Minsky in epidemiological surveillance in animal health. An epidemics (object A) is observed and controlled by a surveillance system and a control system (observer B) and an epidemiological model (model A*) is used to evaluate the control measures.

L'électrolyse de la vapeur d'eau à haute température et sous pression avec des électrolytes à conduction protonique est un moyen envisagé pour produire massivement de l'hydrogène à un coût compétitif. Pour être fonctionnelle, une cellule d'électrolyse doit être hermétique vis-à-vis de l'extérieur et entre le compartiment anodique (O2 et H2O) et le compartiment cathodique (H2). Ainsi, la réalisation de liaisons céramique-métal est nécessaire, soit pour l'intégration de l'électrolyte (liaison perovskite-métal), soit pour l'intégration d'alimentations électriques (liaison alumine-métal). Compte-tenu des conditions de fonctionnement de la cellule (600°C, 50 bars, vapeur d'eau), seul un procédé de brasage est envisageable pour réaliser des jonctions résistantes mécaniquement et hermétiques. L'expertise des processus de corrosion sous vapeur d'eau a permis de définir la partie métallique et la brasure pour cette application et a montré que des alliages spécifiques étaient requis. L'étude de métallisation des céramiques par PVD pour permettre le mouillage de la brasure au moment du brasage a montré que la présence d'une barrière de diffusion était nécessaire, pour éviter la dissolution du dépôt lors du passage à l'état liquide de la brasure. Après une étude de mouillabilité à chaud de la brasure sélectionnée sur les céramiques métallisées et les substrats métalliques, les liaisons ont été optimisées en appliquant la méthodologie des plans d'expériences sur des éprouvettes normalisées. L'ensemble des résultats a ainsi conduit au développement de liaisons céramique-métal possédant de bonnes propriétés mécaniques (Rm = 60 MPa à 20°C) et hermétiques. / Steam electrolysis at high temperature and under pressure with protonic conduction electrolyte is a way to produce hydrogen massively at low cost. To operate, an electrolysis cell must be hermetic especially between the anodic compartment (O2 and H2O) and the cathodic one (H2). Thus, ceramic to metal assemblies are needed, either to insert the electrolyte (perovskite-metal junction) or to realize power supply (alumina-metal junction).Considering the operating conditions (873°K, 725 PSI, steam), only a brazing process is possible to realize strong and hermetic junctions.The evaluation of corrosion process under steam pressure has enabled to select a metallic component and a brazing alloy for this application, and has shown that specific alloys are needed.The studies of ceramics metallization by PVD to assure the brazing alloy wetting throughout the brazing process have shown that a barrier diffusion was necessary to avoid the dissolution of coatings when the brazing alloy become liquid.After wetting experimentations of the chosen brazing alloy over the metalized ceramics and the metallic substrate, ceramic to metal assemblies have been optimized in applying the experimental design methodology on standard samples (ASTM).The whole results have enabled to develop hermetic ceramic to metal assemblies having good mechanical properties (Rm = 8700 PSI at 300°K).