L'expérimentation, outil de validation ou de confrontation de l'hypothèse à la réalité, nécessite des moyens spécifiques: les MOYENS D'EXPERIMENTATIONS (ME). Leur développement fait partie des programmes de recherche et d'innovation. Leur optimisation, en terme de coût, qualité et délai, est également un vecteur de compétitivité. Dans le cadre de cette thèse, notre étude se limite au développement des Moyens d'Expérimentations nouveaux et Spécifiques (MES) dans les domaines de recherche émergents et de l'innovation technologique. Après une enquête réalisée auprès de 21 laboratoires de recherche et de R&D en France plus une analyse d'environ trente projets de développement des MES réalisés de 1997 à 2002, nous constatons que: Le manque d'outils méthodologiques adaptés au contexte de développement et aux caractères spécifiques des MES ne permet pas d'affronter les difficultés de conception, source d'une qualité insuffisante. Les MES développés ne sont pas optimaux en terme de coût, de performance et de délai. Des recherches bibliographiques sur les méthodes et outils de conception de produits suivis d'une analyse de leur pertinence dans le contexte du développement des MES nous a permis de valider cette problématique. Notre ambition est d'optimiser le développement des Moyens d'Expérimentations avec l'objectif d'améliorer et de fiabiliser les MES et de rendre leur développement plus rationnel. Nous proposons une démarche de conception adaptée aux moyens d'expérimentations spécifiques. Cette démarche permet de mieux prendre en compte les particularités des MES et leur niveau de complexité, de faciliter les échanges entre le chercheur et le concepteur, et ainsi de concevoir un MES "bon du premier coup". La démarche est construite en intégrant deux nouveaux outils méthodologiques. Ils s'intitulent: "l'ANalyse de l'EXpérimentation Orientée Fonctionnelle" (ANEXOF) et "l'Analyse de la Cohérence en CoûtPerformance" (ACCP). L'ANEXOF exploite le besoin du chercheur et définit le cahier des charges fonctionnel. Elle est basée sur l'analyse fonctionnelle, associée à la démarche expérimentale, elle fait le lien entre les connaissances scientifiques du chercheur, les connaissances en conception et les savoir-faire technologiques du concepteur. L'ACCP intervient à partir de la phase de conception préliminaire dont le but est l'optimisation de la solution choisie. En réduisant au strict nécessaire les performances globales et en équilibrant leurs performances locales de façon cohérente avec leurs coûts, on obtiendra la répartition optimale de l'investissement dans sa structure, par conséquent, le coût global du produit est optimal.

Le Laboratoire Commun de Métrologie LNE-CNAM (LCM) souhaite affiner sa maîtrise des références de pression afin de réaliser des appareillages de tout premier rang au niveau international. L'incertitude relative visée sur les références de pression est de l'ordre de 10-6. Cet objectif se traduit par une problématique de métrologie dimensionnelle où une mesure de la forme des pistons/cylindres utilisés dans les balances manométriques doit être menée. La mesure de cylindricité est également impliquée dans un très grand nombre d'applications industrielles comme la qualification d'étalons de référence destinés à la qualification d'appareillages de mesure. Notre travail de recherche, réalisé dans le cadre d'une convention CIFRE avec la SAS GEOMNIA, concerne la réalisation d'un instrument de référence de très haute précision permettant la mesure de forme de cylindres creux ou pleins. Nous proposons un saut technologique pour satisfaire un niveau d'incertitude sur la mesure de l'écart de cylindricité de l'ordre de 10 nanomètres dans un volume de mesure cylindrique de Ø350 mm et de hauteur 150 mm. La mesure de forme est habituellement pratiquée en déplaçant un capteur par rapport à la surface à mesurer par un guidage de haute précision. Il n'est cependant pas possible de réaliser un guidage entre deux solides d'un niveau de précision permettant de garantir les incertitudes souhaitées, même en utilisant les techniques de correction d'erreurs dont la précision est limitée par le défaut de répétabilité des guidages. Pour satisfaire à ce niveau d'incertitude, nous proposons une démarche basée sur le concept de structure métrologique dissociée. La mesure d'une pièce consiste alors à comparer sa forme à celle d'une pièce cylindrique de référence. Cette dernière doit seulement présenter une stabilité de forme parfaite. La cartographie d'écart de forme de la référence cylindrique doit cependant être identifiée au même niveau d'incertitude visé.Le travail de recherche développé propose une analyse détaillée des machines actuelles et de leurs limitations. Suite à cette analyse, une architecture de machine a été proposée pour lever ces limitations. Cette architecture tient compte des écarts " secondaires " liés à la position des capteurs et des effets de second ordre, pour satisfaire le niveau de précision visé. Une procédure complète d'étalonnage de la machine a été élaborée en s'inspirant des méthodes de séparation d'erreurs. Cette procédure originale permet de séparer les défauts de forme du cylindre de référence de ceux d'une pièce de qualification cylindrique mesurée simultanément. La méthode employée ne présente pas de limitations en termes d'exactitude. Cette procédure a été expérimentalement validée. Une analyse des effets liés à la mesure de surfaces cylindriques par des capteurs capacitifs a été menée. Ces essais ont conduit au développement de stratégies d'étalonnage de ces capteurs in situ utilisant des interféromètres à laser intégrés dans la machine. La traçabilité métrologique des résultats des mesures est ainsi garantie. Deux bancs de tests ont été développés pour caractériser les diverses influences et valider les procédures d'étalonnage des capteurs. La conception détaillée de l'instrument est issue de la synthèse des réflexions menées sur l'architecture, sur l'étalonnage et sur la maîtrise de la mesure de déplacements par capteurs capacitifs. Ce travail a abouti à la réalisation de ce nouvel instrument de référence ; sa conception, son montage et son réglage sont présentés.

La conception de produits a pour objectif de définir techniquement un produit en satisfaisant les besoins de l'ensemble des clients du cycle de vie du produit. Les enjeux industriels conduisent à développer des modèles et des outils d'aide à la conception afin de répondre aux besoins clients tout en optimisant le triptyque coût-qualité délais. L'objectif de cette thèse est de proposer une vision globale permettant d'appréhender les différents types de modélisation. Pour atteindre cet objectif, une analyse globale de ces notions est nécessaire afin d'obtenir une représentation commune du système pour les différentes activités de conception et de simulation. L'intérêt de cette approche est de pouvoir mettre en évidence les dépendances et les relations entre ces activités. Cette approche doit permettre d'appréhender les différents niveaux de détails (systémique) lors de la décomposition fonctionnelle et structurelle du produit. Elle doit également permettre de suivre l'élaboration des modèles physiques pour la simulation. Nous proposons une traçabilité du processus de conception et du processus de modélisation permettant de remettre en cause, le cas échéant, les choix de conception et les hypothèses de modélisation. Ce travail est fondé sur des concepts de GeoSpelling comme le " skin modèle ", les opérations et les propriétés. Ils sont enrichis d'autres concepts comme les modèles finis et infinis et les modèles primitif et de simulation.

La recherche d’une locomotion performante sur des terrains accidentés constitue encore à l’heure actuelle un défi pour les systèmes robotisés de toutes sortes s’y attelant. Les robots hybrides de type “roues-pattes”, qui tentent d’allier l’efficacité énergétique des roues à l’agilité des pattes, en sont un exemple aux capacités potentiellement très prometteuses. Malheureusement, le contrôle de telles structures s’avère rapidement problématique du fait des redondances cinématiques, mais aussi et surtout de la difficulté que pose la connaissance exacte de la géométrie du sol à mesure que le robot avance. Cette thèse propose alors une réponse à la complexité des systèmes roulants reconfigurables par une approche synergique entre compliance et actionnement. Pour cela, nous proposons d’exploiter une décomposition idéalement orthogonale entre les différentes formes de compliances qui réalisent la suspension du robot. Ainsi, l’actionnement au sein de la structure est ici dédié à un contrôle des efforts verticaux s’exerçant sur les roues, tandis que les déplacements horizontaux de ces dernières sont le fait d’une raideur passive combinée à une modulation locale des vitesses d’entraînement. La posture du robot est maîtrisée via l’asservissement des forces verticales fournies par un actionnement de type série-élastique. Ceci permet de garantir une adaptation spontanée de la hauteur des roues tout en conservant l’ascendant sur la distribution de la charge. La faisabilité d’un tel système de locomotion est validée à travers un prototype reposant sur quatre “roues-pattes” compliantes. Celui-ci, entièrement conçu dans le cadre de cette étude, approche la décomposition fonctionnelle proposée tout en répondant aux contraintes de réalisation et de robustesse. Tirant parti de la décomposition fonctionnelle proposée pour la structure, deux procédés de commande sont présentés afin de réaliser le franchissement des obstacles : le premier vise à exploiter l’inertie du châssis pour réaliser une modification locale des forces verticales appliquées aux roues, tandis que le second est basé sur la sélection d’un mode de répartition des efforts adaptés à la poursuite d’une évolution quasi-statique en toutes circonstances. Pour cette dernière commande, deux méthodes de synthèse sont abordées : l’une via un algorithme d’apprentissage de type “Q-learning” et l’autre par détermination de règles expertes paramétrées. Ces commandes, validées par des simulations dynamiques dans des situations variées, se basent exclusivement sur des données proprioceptives accessibles immédiatement par la mesure des variables articulaires de la structure. De cette manière, le robot réagit directement au contact des obstacles, sans avoir besoin de connaître à l’avance la géométrie du sol. / Performing an efficient locomotion on rough terrains is still a challenge for robotic systems of all kinds. “Wheel-on-leg” robots that try to combine energy efficiency of wheels with leg agility are an example with potentially very promising capabilities. Unfortunately, control of such structures turns out to be problematic because of the kinematic redundanciesand, above all, the difficulty of precisely evaluating the ground geometry as the robot advances. This thesis proposes a solution to the complexity of reconfigurable rolling systems by a synergic approach between compliance and actuation.To this purpose, we propose to exploit an ideally orthogonal decomposition between the different movements enabled by the robot suspension due to compliant elements. Then, the structure actuation is here dedicated to controlling the vertical forces applied on wheels, while the horizontal wheel displacements are due to a passive stiffness combined with a local modulation of wheel speed. The robot posture is controlled through the vertical forces servoing provided by a series elastic actuation. This ensures a spontaneous adaptation of wheel heights while keeping the control on load distribution. The feasibility of such a locomotion system is validated through a prototype based on four compliant “wheel-legs”. Entirely conceived as part of this study, this one approximates the proposed functional decomposition while meeting the realization and robustness constraints. We also present two control methods that take advantage of the functional decompositionproposed for the structure in order to cross obstacles. The first one aims to exploit the chassis inertia in order to perform a local modification of the vertical forces applied on wheels, while the second one is based on the selection of proper ways of distributing forces in order to be able to pursue a quasi-static advance in all circumstances. Two approaches are given for the production of the last control : either with a “Q-learning” algorithm or by determining parameterized expert rules. Validated by dynamic simulations in various situations, these controls rely only on proprioceptive data immediately provided by the measurement of articular variables. This way, the robot directly reacts when it touches obstacles, without having to know the ground geometry in advance.

Les matériaux composites, et en particulier les sandwichs, sont très étudiés depuis des décennies. En effet, l'alliance entre légèreté et résistance de ces structures entraîne le développement de leur utilisation. Leur méthode de fabrication et éventuellement leur caractérisation restent des points essentiels dans la plupart des études. Ce travail s’inscrit dans le projet FUI SOLLICITERN qui vise à développer une citerne routière en matériau composite sandwich pour un véhicule d’hydrocurage. Comme première étape, et à partir du principe de l’enroulement filamentaire classique, l’objectif consiste à chercher des conceptions qui sont les mieux adaptées à l’enroulement d’un matériau sandwich sur un mandrin cylindrique, tout en respectant les paramètres de l’enroulement et leur influence sur la structure et les propriétés. La solution optimale étant validée, les matériaux constitutifs ont été étudié en mesurant de nombreuses propriétés mécaniques. L’objectif est de pouvoir aider le bureau d’étude à valider une solution de fabrication et de vérifier que les propriétés sont celles attendues. Pour ce faire, des caractérisations statique et dynamique ont menée sur des échantillons incurvés fabriqués par le procédé optimisé pour notre application. Cette partie comporte notamment différents essais expérimentaux dans le but de valider le comportement de la structure visée avec les dimensions et les combinaisons de matériaux les plus appropriées, en tenant compte du processus de fabrication. La meilleure configuration structurelle est retenue à la fin pour la fabrication de la citerne routière prototype. / Composite materials, and especially sandwich structures, have been studied for decades. Indeed, the association between lightness and resistance of these structures leads to the development of their use. Their manufacturing method and their characterization remain as essential points in most studies. This work is part of the FUI SOLLICITERN project, which aims to design a composite water treatment tank for vehicles intended for this purpose. As a first step, and based on the classical filament winding principal, we aim to search designs that are best adapted to the fabrication of a curved sandwich material on a cylindrical mandrel, while respecting the process parameters of and their influence on structural properties. Since an optimal solution was validated, the constituent materials were studied by measuring mechanical properties. The objective is to help our industrial partner to validate a manufacturing solution and verify that such properties are the expected ones. For that, several static and dynamic characterizations were carried out on curved samples manufactured by the optimized process designed for our application. This part includes various experimental tests in order to validate the structure behavior with the most appropriate dimensions and material combinations, taking into account the manufacturing process. At the end, the best structural configuration is retained for the first tank prototype fabrication.

Les procédés de fabrication additive sont aujourd'hui de plus en plus utilisés dans l'industrie. Parmi les différentes technologies existantes, les procédés additifs métalliques, et notamment les procédés en couches, sont les plus prometteurs pour la conception de produits mécaniques. Des travaux ont été menés sur la thématique de la conception de produits réalisés par ces moyens, il traitent principalement du choix du procédé le plus adapté, de l'optimisation de formes ou présentent des cas de reconception. Il n'existe cependant pas de démarche globale de conception de produits qui permettent de prendre en compte les spécificités des procédés additifs en couches, notamment leurs contraintes de fabrication.Lors de ce travail de thèse, les changements que ces procédés introduisent dans le domaine des possibles en conception de produits ont été montrés et illustrés par des pièces réalisées par EBM. De nouvelles opportunités s'offrent au concepteur, comme l'accès à l'ensemble du volume de fabrication, la facilité de réalisation de pièces complexes, la possibilité de réaliser des treillis tridimensionnels et la capacité de produire des mécanismes sans assemblage. Les contraintes de fabrication de ces procédés sont spécifiques. Les phénomènes thermiques lors de la fabrication ont une incidence sur la fabricabilité et la qualité des pièces. La phase de retrait de poudre impose quant à elle des contraintes d'accessibilités. Pour prendre en compte cette évolution, il est nécessaire de concevoir spécifiquement les pièces pour la fabrication additive.Le procédé EBM est au centre du travail réalisé. Il s'agit d'un moyen de fabrication additive en couches, par fusion, à l'aide faisceau d'électrons. Les phénomènes thermiques, qui peuvent causer déformations et mauvaise intégrité de la matière, l'opération de dépoudrage et la problématique de la qualité des pièces fabriquées par EBM ont fait l'objet de caractérisations expérimentales. La durée de fabrication et le coût de revient technique des pièces réalisées par EBM ont également été étudiés, afin d'établir la relation entre durée, coût et géométrie des pièces.Pour de prendre en compte les contraintes explicitées auparavant, et pour bénéficier des importantes libertés que ce procédé offre aux concepteurs, une démarche de conception a été proposée. Cette démarche consiste à générer une ou plusieurs géométries initiales, soit directement par le concepteur, soit par l'utilisation d'outils d'optimisation topologique, à partir de données extraites du cahier des charges. Une fois le balançage de la pièce choisi (en prenant en compte les contraintes de fabrication, le tolérancement de la pièce et la productivité de la fabrication), la pièce est modélisée en incluant un jeu de paramètres pour effectuer une optimisation paramétrique. Cette optimisation permet de dimensionner la pièce, tout en prenant en compte les contraintes de fabrication. A l'issue de cette phase d'optimisation, la géométrie finale est obtenue en prenant en compte les exigences des opérations de parachèvement éventuelles et en définissant les supports, s'ils sont nécessaires. Cette démarche a été illustrée par la reconception de deux pièces mécaniques qui répondent aux exigences de leur cahier des charges fonctionnel, sont fabricables à l'aide du procédé EBM et offrent des gains de masse importants.Enfin, un chapitre particulier est consacré aux perspectives mises en évidence (et ayant parfois fait l'objet de travaux préliminaires) à l'occasion de ce travail de thèse. / Nowadays, the use of Additive Manufacturing processes keeps growing in the industry. Among the numerous kinds of AM processes, metallic additive manufacturing processes, and metallic Additive Layer Manufacturing in particular, are the most interesting from a mechanical designer point of view. Several research studies have been conducted on the topic of Design For Additive Manufacturing, mostly discussing the choice of AM processes or presenting the redesign of parts. There is no specific design methodology for ALM processes that takes their specificities into account.During this PhD thesis, the changes that ALM processes bring to the design space were investigated. The designer has the opportunity to easily manufacture thin parts, complex parts, lattice structures or mechanisms that don't need any assembly. These processes also have specific manufacturing constraints compared to conventional processes. The heat dissipation is the most important factor since it can cause distortions and porosities. Powder removal, surface and geometrical quality also need to be considered during design. A specific design for additive manufacturing methodology is necessary to take these changes into account.This work focuses on the Electron Beam Manufacturing process. Experiments were conducted and analyzed to assess the manufacturability regarding the thermal phenomena (during melting), the powder removal and the quality of the parts produced by EBM. The impact of the part geometry on manufacturing duration and manufacturing cost was also established.In order to use allow designers to use these pieces of information, we suggested a designing methodology. From the requirements of the parts, one or several parts are generated by the designer or by using topological optimization tools. The orientation of the part inside the manufacturing space is set before designing a refined parametric geometry. This parametric geometry is optimized in order to meet the user requirements as well as the EBM requirements. The last step is the modification of the geometry to comply with the finishing operations (machining allowances for example) and the placement of supports, if needed. This methodology was illustrated with the redesign of two example parts and showed important mass savings from the parts (while meeting user and process requirements).The prospects discovered and highlighted during this work, some of which were preliminary investigated, are presented in a specific chapter.

La conception de produits a pour objectif de définir techniquement un produit en satisfaisant les besoins de l'ensemble des clients du cycle de vie du produit. Les enjeux industriels conduisent à développer des modèles et des outils d'aide à la conception afin de répondre aux besoins clients tout en optimisant le triptyque coût-qualité délais. L'objectif de cette thèse est de proposer une vision globale permettant d'appréhender les différents types de modélisation. Pour atteindre cet objectif, une analyse globale de ces notions est nécessaire afin d'obtenir une représentation commune du système pour les différentes activités de conception et de simulation. L'intérêt de cette approche est de pouvoir mettre en évidence les dépendances et les relations entre ces activités. Cette approche doit permettre d'appréhender les différents niveaux de détails (systémique) lors de la décomposition fonctionnelle et structurelle du produit. Elle doit également permettre de suivre l'élaboration des modèles physiques pour la simulation. Nous proposons une traçabilité du processus de conception et du processus de modélisation permettant de remettre en cause, le cas échéant, les choix de conception et les hypothèses de modélisation. Ce travail est fondé sur des concepts de GeoSpelling comme le " skin modèle ", les opérations et les propriétés. Ils sont enrichis d'autres concepts comme les modèles finis et infinis et les modèles primitif et de simulation. / Product design aims to technically define a product satisfying the needs of all customers during the product life cycle. Industrial issues lead to develop models and tools supporting design to meet customer needs and contributing to costs-quality-and time optimisation. The objective of this thesis is to propose an overall vision making it possible to apprehend the various types of modeling. To achieve this goal, a comprehensive analysis of these concepts is necessary in order to obtain a common representation of the system for the various activities of design and simulation. The advantage of this approach is to highlight the dependencies and relationships among those activities. This approach should allow to apprehend the various levels of detail (systemic) during the functional and structural decomposition activity. It should also enable to monitor the development of the physical models for the simulation. We propose a traceability of the design process and of the modeling process allowing to review as appropriate the design choices and the modeling assumptions. This work is based on concepts of GeoSpelling as the "skin model", the operations and the properties. They are complemented by other concepts as the finite and infinite models and the primitive and simulation models.

Il est important, pour la développement rapide et à moindre coût d'un produit, de considérer différentes contraintes liées à la conception, l'assemblage/ désassemblage (A/D), l'usinage, l'ergonomie, etc. L'utilisation des outils comme les systèmes de réalité virtuelle (RV) donne une nouvelle dimension en terme de développement efficace du produit. Cette thèse propose d'appliquer les technologies de RV à l'étude/ optimisation des systèmes mécaniques complexes et, en particulier, à la simulation d'A/D de composants flexibles. Afin de tenir compte d'un comportement complexe de ces pièces, une telle simulation est basée sur leur modélisation mécanique. Le modèle non-linéaire de poutres flexibles est utilisé, adapté à des spécificités de la RV, étudié et intégré dans un démonstrateur de simulation. Une telle modélisation permet de générer des informations réalistes (efforts, déformations, trajectoires d'A/D,...) et de les utiliser dans l'étude/ évaluation adéquate et rapide des opérations d'A/D en se basant sur la méthodologie proposée. Cette méthodologie tient compte des spécificités dues à la simulation mécanique temps réel, à la caractérisation des propriétés du matériau, aux interfaces de RV, aux problèmes des modèles CAO. Ainsi, les problèmes de stabilité numérique et de recherche rapide de solutions adéquates, la validation expérimentale, les contraintes d'interfaçage en RV, la caractérisation d'A/D à travers des expérimentations physiques et numériques, etc. sont considérés dans ce mémoire. De nombreux tests et exemples montrent l'intérêt de la démarche proposée vis-à-vis des besoins industriels.

Les modèles polyédriques, très utilisés dans les processus d'ingénierie, constituent une représentation privilégiée au sein des maquettes numériques de produits. Les approches et méthodes de manipulation et d'exploitation de ces modèles, sont le plus souvent pilotées par un critère géométrique lié à la forme des objets (normale, courbure ...) mais très peu prennent en compte des informations de type perceptuelles. Parallèlement, les techniques de traitement d'images existantes extraient des données (contours, primitives géométriques, textures ...) relatives à la description des formes des objets qu'elles représentent. Ainsi, le but de cette thèse est de réaliser un couplage modèle polyédrique 3D / images numériques 2D pour manipuler les modèles 3D avec des critères extraits d'image(s). Une méthode de simplification et deux méthodes de déformation de polyèdres sont présentées. Dans la première méthode, la simplification est basée sur un processus itératif de suppression de sommets piloté par un critère de tolérance de simplification. Cette tolérance est liée au filtrage de contours d'image(s) qui sont projetés sur le modèle 3D afin d'identifier les zones plus ou moins proches de ces lignes de caractère. Les méthodes de déformation de polyèdres sont appliquées au cas du remplissage de trous. Une triangulation est insérée au modèle puis déformée par la résolution d'un problème d'optimisation numérique sous contraintes. La fonctionnelle à minimiser simule la variation de courbure entre le maillage inséré et le modèle initial. La solution est obtenue par un algorithme itératif basé sur un modèle mécanique de réseau de barres. Les contraintes imposent le respect de lignes de caractère 3D obtenues par triangulation stéréoscopique dans la première méthode, ou bien calculées en fonction de l'intensité lumineuse des pixels et qui imposent le déplacement des sommets correspondants suivant une certaine élévation (problème inverse du Shape From Shading). Les trois méthodes implémentées sont complètement modulaires.

En automobile, les suspensions semi-actives à base de fluides magnétorhéologiques (MR) proposent un compromis très intéressant entre des performances élevées et une Consommation électrique faible. Par le contrôle et l'ajustement de leurs paramètres d'amortissement, elles permettent de réaliser une optimisation en temps réel du comportement sur une large bande de fréquences de sollicitations. Cette technologie utilise les fluides MR dont la viscosité augmente sous l'action d'un champ magnétique, en quelques ms. Ce mémoire présente la conception et le dimensionnement d'un amortisseur MR ainsi que le banc de test associé. La caractérisation dynamique et statique de l'amortisseur a été effectuée. L'évaluation expérimentale de la force d'amortissement en fonction des grandeurs dynamiques et électriques a été mesurée et comparée au modèle théorique utilisé dans la phase de conception. Le comportement en régime statique de l'amortisseur a été modélisé par un modèle de Bingham et le comportement dynamique par un modèle de Bouc-Wen. La dernière partie de l'étude concerne la mise en place et la validation de plusieurs lois de contrôle pour les suspensions semi-actives, notamment de nouvelles lois basées sur l'inversion du modèle REM. Une comparaison des performances en termes de confort et de consommation électrique de chaque loi est présentée. Ces nouvelles lois de contrôle ont montré de très bonnes performances tout en réduisant la consommation électrique par rapport aux autres lois déjà existantes.