L’intégration des systèmes mécatroniques est la source première de leur complexité de conception. Trois principaux types d’intégration sont en cause : l’intégration multi-domaine qui vise à intégrer en synergie la mécanique, l’électronique, l’informatique et l’automatique ; l’intégration multi-niveau prenant en compte les interfaces entre les différents niveaux d’abstraction du système et l’intégration physique dont l’objectif est d’agencer un maximum de composants dans un volume de plus en plus limité. L’objectif de cette thèse est de proposer un moyen d’évaluer cette intégration dans la conception des systèmes mécatroniques, le plus tôt possible dans le cycle de conception. En effet, la phase de préconception génère de nombreuses architectures qui vont être échangées, analysées, discutées et modifiées, avant d’être évaluées en vue de sélectionner les plus pertinentes au regard du cahier des charges à respecter. Dès lors, les concepteurs ont besoin de moyens et d’outils performants pour comparer les différentes architectures candidates, justifier et tracer leurs choix de conception et ainsi réduire la durée de la phase de décisions. S’appuyant sur les modèles générés par le processus d’ingénierie système basée sur les modèles (MBSE), les métriques que nous avons développées visent à évaluer et comparer quantitativement le degré d’intégration des architectures mécatroniques pour faciliter le choix du concept à retenir. Les objectifs adressés par ces métriques sont l’intégration multi-niveau, multi-domaine et physique, ainsi que le degré d’innovation et la mise-en-œuvre d’un projet de conception des systèmes mécatroniques. Ces métriques ont été implémentées en SysML et expérimentées dans un logiciel de CAO (CATIA) pour le choix d’architectures de deux systèmes mécatroniques, à savoir : le moteur-roue et le moteur hybride. Finalement, une méthode de génération de métriques personnalisées a été établie pour répondre au besoin industriel de prendre en compte les spécificités relatives à la culture, l’organisation, la stratégie de chaque entreprise et à l’expérience de leurs concepteurs. / The integration of mechatronic systems is the main source of their design complexity. Three key types of integration are at stake: multi-domain integration which is intended to synergistically integrate mechanics, electronics, information technology and automation; multi-level integration taking into account the interfaces between the different system abstraction levels, and finally physical integration that aims at embedding a large number of components in an increasingly limited volume. The purpose of our approach is to propose a means of assessing this integration degree in mechatronic systems design, as early as possible in the design cycle. The predesign phase indeed generates numerous architectures that will be shared, analyzed, debated and revised before being assessed in order to select the most relevant one according to the specifications to be met. Designers then require means and effective tools to compare alternative architectures, to justify and trace their design choices and thus facilitate decision-making trade-offs. Based on Model-Based Systems Engineering (MBSE), the metrics we developed aim at evaluating and quantitatively comparing the integration degree of mechatronic architectures, in order to provide systems architects an efficient support to opt for the concept to be selected. The objectives addressed by these metrics are multi-level, multi-domain and physical integrations, as well as the innovation degree and finally the design project implementation of mechatronic systems. These metrics have been implemented in SysML and experimented with a CAD tool (CATIA) on different architectures of two mechatronic systems: a wheel hub motor and a hybrid powertrain. Finally, a method to generate customized metrics has been established to meet industrial needs, by taking into account specificities relating to the culture, organization, strategy of each company and their designers’ knowledge and feedbacks.

Cette recherche porte sur l'évaluation de la durabilité en phase amont d'un projet architectural. Cette thèse argumente la nécessité d'évaluer l'impact sur les aspects de développement durable en phase de préconception. La phase amont est très importante en raison de son faible coût et des degrés de liberté qu'elle permet lors des prises de décisions. Ainsi l'élaboration d'un outil ou d'un modèle pouvant aider les architectes à identifier les potentiels de durabilité en préconception, représente un enjeu important pour l'aide à la décision architecturale. En prenant en compte les impacts de la durabilité en phase amont, le concepteur peut s'astreindre à une vision différente et peut aborder des espaces de solutions visant à augmenter le niveau de durabilité de son projet. La méthode de conception à objectif désigné (COD) est utilisée en tant que démarche pour structurer l'outil d'aide à la décision. Cet outil aide les architectes à guider leur choix en fonction d'objectifs pré-établis. De plus, grâce à la COD, tous les acteurs du domaine de la construction peuvent participer à la phase de la programmation. D'autre part, l'accent peut être mis sur l'aspect socioculturel que les méthodes existantes ont négligé. Notre outil a été développé sous forme de logiciel puis a été expérimenté sur quatre projets réels en Iran. Les résultats bruts attestent de la pertinence de l'outil en phase de préconception / This research focuses on sustainability assessment in the upstream phase of an architectural project. This thesis points out the need to assess the impacts of pre-design's phases decisions on the sustainable development aspects. The upstream phase is very important because of their low cost and the large range of possible solution. As a consequence a tool or model is required that can help designers/Architects to identify sustainability potential in pre-design phase : this will constitute a "Decision aids tool" for architecture. Taking into account the impacts of sustainability in the upstream phase, the designer/Architects can achieve a different view and take advantage of these environmental effects to increase the level of sustainability of the project. The "Design to Objective" method (DTO) is used as an approach to provide a tool for decision support. This approach helps architects making decision. In addition, due to the DTO, all stakeholders in the field of construction can contribute to the programming phase. On the other hand, attention is directed toward the socio-cultural aspect which has been neglected by existing methods. This tool / software (SustainPro) has been experimented on four real projects in Iran. Experimental outcomes attest of the pertinence of the proposed approach

Ce travail porte sur la préconception d'une classe de mécanismes plans à barres articulées, les générateurs de trajectoires, dont la fonction utile est la trajectoire décrite par un point effecteur. Les outils actuellement disponibles sont mieux adaptés à la conception détaillée qu'à la préconception. Nous proposons donc des méthodes d'analyse et de synthèse afin de mieux prendre en compte une plus grande diversité de besoins, notamment pour des spécifications de trajectoire en termes de forme plutôt que classiquement (par des listes de points). La plate-forme de préconception RealisMe utilise deux modèles de cinématique. Le modèle systémique multipolaire est une extension, dans le sens de la théorie des systèmes, de la notion de groupe d'Assur. Le modèle de cinématique qualitative génère directement une trajectoire sous la forme d'arcs et de segments de droite. Ces deux modèles permettent de réaliser des simulations cinématiques très rapides et de fournir des informations utiles en préconception. Le modèle systémique multipolaire est mis à profit dans une méthodologie de conception incrémentale des mécanismes complexes. Nous proposons ensuite deux approches d'optimisation dimensionnelle, exacte et qualitative, par bouclage sur des simulations cinématiques appropriées. Finalement, nous développons deux méthodes de synthèse par capitalisation de cas. Dans ces méthodes, au préalable, un très grand nombre de trajectoires sont calculées, par simulation, pour des jeux de dimensions aléatoires. Ensuite, les cas (couples trajectoire - dimensions), après leur codage, sont stockés dans une base de cas. La première méthode de synthèse par cas utilise un réseau neuronal artificiel pour fournir, à partir d'une forme de trajectoire désirée, un mécanisme candidat par interpolation des cas proches. La forme des trajectoires est modélisée par une analyse harmonique en série de Fourier. Le réseau neuronal permet de stocker en une très faible quantité de données une connaissance étendue sur la relation dimensions-trajectoires, ceci pour une morphologie de mécanisme donnée. La deuxième méthode emploie le codage qualitatif des trajectoires pour stocker dans la même base des trajectoires générées par des mécanismes divers. Afin d'admettre des requêtes complexes, les trajectoires sont indexées selon une clé qualitative.

La conception du coeur d’un réacteur nucléaire est fortement multidisciplinaire (neutronique, thermo-hydraulique, thermomécanique du combustible, physique du cycle, etc.). Le problème est aussi de type multi-objectif (plusieurs performances) à grand nombre de dimensions (plusieurs dizaines de paramètres de conception).Les codes de calculs déterministes utilisés traditionnellement pour la caractérisation des coeurs demandant d’importantes ressources informatiques, l’approche de conception classique rend difficile l’exploration et l’optimisation de nouveaux concepts innovants. Afin de pallier ces difficultés, une nouvelle méthodologie a été développée lors de ces travaux de thèse. Ces travaux sont basés sur la mise en oeuvre et la validation de schémas de calculs neutronique et thermo-hydraulique pour disposer d’un outil de caractérisation d’un coeur de réacteur à neutrons rapides à caloporteur sodium tant du point de vue des performances neutroniques que de son comportement en transitoires accidentels.La méthodologie mise en oeuvre s’appuie sur la construction de modèles de substitution (ou métamodèles) aptes à remplacer la chaîne de calcul neutronique et thermo-hydraulique. Des méthodes mathématiques avancées pour la planification d’expériences, la construction et la validation des métamodèles permettent de remplacer cette chaîne de calcul par des modèles de régression au pouvoir de prédiction élevé.La méthode est appliquée à un concept innovant de coeur à Faible coefficient de Vidange sur un très large domaine d’étude, et à son comportement lors de transitoires thermo-hydrauliques non protégés pouvant amener à des situations incidentelles, voire accidentelles. Des analyses globales de sensibilité permettent d’identifier les paramètres de conception influents sur la conception du coeur et son comportement en transitoire. Des optimisations multicritères conduisent à des nouvelles configurations dont les performances sont parfois significativement améliorées. La validation des résultats produits au cours de ces travaux de thèse démontre la pertinence de la méthode au stade de la préconception d’un coeur de réacteur à neutrons rapides refroidi au sodium. / Nuclear reactor core design is a highly multidisciplinary task where neutronics, thermal-hydraulics, fuel thermo-mechanics and fuel cycle are involved. The problem is moreover multi-objective (several performances) and highly dimensional (several tens of design parameters).As the reference deterministic calculation codes for core characterization require important computing resources, the classical design method is not well suited to investigate and optimize new innovative core concepts. To cope with these difficulties, a new methodology has been developed in this thesis. Our work is based on the development and validation of simplified neutronics and thermal-hydraulics calculation schemes allowing the full characterization of Sodium-cooled Fast Reactor core regarding both neutronics performances and behavior during thermal hydraulic dimensioning transients.The developed methodology uses surrogate models (or metamodels) able to replace the neutronics and thermal-hydraulics calculation chain. Advanced mathematical methods for the design of experiment, building and validation of metamodels allows substituting this calculation chain by regression models with high prediction capabilities.The methodology is applied on a very large design space to a challenging core called CFV (French acronym for low void effect core) with a large gain on the sodium void effect. Global sensitivity analysis leads to identify the significant design parameters on the core design and its behavior during unprotected transient which can lead to severe accidents. Multi-objective optimizations lead to alternative core configurations with significantly improved performances. Validation results demonstrate the relevance of the methodology at the predesign stage of a Sodium-cooled Fast Reactor core.

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.