Nos travaux concernent la conception de produits dans les phases préliminaires, ou préconception de produits, se trouvant dans la littérature sous l'expression de conceptual design, à la croisée entre les domaines de l'Intelligence Artificielle appliquée à la conception, la conception intégrée et simultanée, les théories de la conception et les méthodologies industrielles du type Analyse de la Valeur.<br />Dans un premier temps, nous avons proposé des modèles enrichis de cahier des charges. Il s'agit de modèles fonctionnels d'objectifs et de satisfactions (ou préférences) relatifs à un produit, à ses services associés et à son projet de conception-industrialisation, en tachant de tenir compte des aspects : incertitude, contexte, multi-acteurs et évolution.<br />Dans un deuxième temps, nous avons travaillé à la façon de traduire ces objectifs de produit en concepts de solutions (ou architectures) de manière la plus automatisée qui soit : par des méthodes de synthèse, ou par des méthodes semi-automatiques qui, loin de prendre la place des concepteurs, leur permettent au contraire de disposer d'outils de conception génériques leur donnant les moyens de se consacrer à des taches de créativité. Nous avons notamment contribué à développer une méthode de synthèse de concepts en allocation spatiale (technique de programmation par contraintes) et des méthodes de synthèse de concepts de mécanisme plan (techniques de réseau de neurones, de multi-agents, de conception basée sur les cas).<br />Dans un troisième temps, lorsque des concepts ont été proposés, il faut savoir évaluer leurs performances, la difficulté résidant d'une part dans la définition grossière d'un concept et donc dans leur aptitude à représenter des classes entières de produits solutions, et d'autre part dans l'absence de conception de détail. Le raisonnement à partir de modèles incomplètement définis occupe une part importante de nos travaux. Des méthodes issues de la physique qualitative ont été développées, et la modélisation des performances a été abordée de manière probabiliste et floue ainsi que de manière approximée par des techniques de métamodélisation. <br />Enfin, nous avons abordé la mesure de l'adéquation des performances d'un concept avec le cahier des charges, pour un produit générique, de manière à développer des fonctionnalités de suivi des performances, des coûts et des risques dans la phase de préconception, ainsi que des fonctionnalités d'aide à la reconception et à l'optimisation des concepts (méthodes basées sur la physique qualitative ou sur une simulation de type Monte-Carlo).

Cette thèse introduit le concept de comportement géométrique d'un assemblage mécanique. Cette notion permet de rendre compte du caractère assemblable ou mobile d'un mécanisme sous la forme d'un système de relations algébriques entre les paramètres géométriques permettant de le décrire. Dans un premier temps, cette thèse montre l'intérêt de ce concept pour traiter des problèmes faisant intervenir plusieurs effets physiques et plusieurs scénarios d'utilisation. Ce chapitre est appliqué à l'étude de l'assemblabilité d'un treillis pyramidal de conception à 4 barres décrit par un modèle géométrique non cartésien issu de la littérature. Dans un second temps, après avoir constaté le manque de modèles adaptés permettant de représenter des mécanismes mobiles, ce travail en propose un non cartésien. Il détaille aussi une méthode de mise en équation afin de traduire la mobilité d'un mécanisme. Une application de ce modèle et de la méthode est également faite. Elle permet de résoudre localement le problème de la mobilité d'un mécanisme de Bennett. Enfin, la dernière partie de ce travail expose une solution pour associer et comparer deux objets décrits par des représentations non cartésiennes. Cette technique est utile pour comparer deux états physiques du même objet utilisé dans différents scénarios pour assurer le suivi d'une exigence géométrique. Elle peut également être utilisée pour associer des objets réels et des objets idéalisés pour traiter des problèmes de tolérancement

Résume : Les méthodes de structuration de la connaissance en conception, basées sur des visions fonctionnelles sont analysées et comparées. On procède à une analyse sémantique en liaison avec l'analyse fonctionnelle et on conclut qu'il est difficile de réaliser une base de données s'il on ne réduit pas la diversité des verbes utilisés. Nous proposons une vision énergétique à partir de la loi dite d'intégralité des parties qui décompose un système en entités particulières. La réalisation d'une fonction passe par la transformation d'une énergie par un convertisseur, cette énergie est transmise par un transmetteur et utilisée par l'opérateur pour exercer l'action, l'opérateur ne peut être qu'un transmetteur ou un convertisseur. Ainsi nous réduisons le système à 3 entités auxquelles s'ajoute l'entité de contrôle /commande. De surcroît, nous remarquons que nous limitons, au premier niveau, les verbes d'action à 2 verbes, convertir et transmettre. Ce premier niveau sera suivi de niveau auxquels comprenant des verbes synonymes plus précis associés à des compléments directement associés à des composants identifiés. Ainsi on peut définir une taxonomie qui permet de construire une base de connaissances de composants basée sur l'énergie, sa transformation et sa transmission. Cette base est associée à une structuration organique systématique et reproductible à chaque niveau d'analyse. Une méthode de conception préliminaire est élaborée à partir de l'utilisation de cette base. L'analyse énergétique de la réalisation de l'action permet de construire un organigramme technique particulier et de choisir dans la base des composants les convertisseurs et transmetteurs. Ensuite on procède à l'agencement de ces composants et on sélectionne les composants d'interaction standard à partir de logiques proche de la théorie des mécanismes. La phase suivante consiste à récupérer les modèles physiques associés (loi de conservation de l'énergie) dans la base et de sélectionner les effets produits puis induits afin de réaliser un modèle global du système utilisable en conception préliminaire. Les résultats de simulation permettent de calculer les variables liées aux critères d'appréciation de CdCF qui donnent les éléments d'aide à la décision. L'étude d'un système éolien, en particulier la conception du multiplicateur (transmetteur) et de son système de refroidissement (maîtrise des effets induits) sert d'exemple d'utilisation de la base et de la méthode de conception associée.

L'objet de cette thèse est la mise en place d'une méthodologie pour la conception préliminaire orientée tâche de manipulateurs mobiles. Elle s'appuie en l'occurence sur les algorithmes évolutionnaires pour effectuer la synthèse de chaînes cinématiques et d'entrées de commande. La méthodologie met donc en oeuvre plusieurs niveaux d'optimisation orientée tâche :<br /><br />- recherche d'une configuration initiale d'un robot, avec minimisation de l'erreur en position de l'effecteur du manipulateur mobile à la position initiale désirée et de la direction réelle avec la direction désirée, évitement d'obstacles<br />- génération de consignes avec minimisation de<br />l'erreur en position de l'effecteur à la trajectoire désirée, évitement d'obstacles et minimisation de la distance à parcourir jusqu'à la position finale désirée<br />- élimination préliminaire des structures cinématiques non adaptées localement aux contraintes de la tâche, avec prise en compte des obstacles, respect des contraintes de structure et minimisation de la masse des robots<br /><br />La sélection finale d'une solution structurelle est alors<br />essentiellement basée sur ses performances dans la réalisation de la tâche. Les différents aspects de la méthodologie sont détaillés et analysés par les résultats de simulation dont la pertinence de l'approche est extraite. Les avantages liés à l'utilisation des algorithmes évolutionnaires et aux adaptations développées dans ce manuscrit, ainsi que leurs limites, sont synthétisés en fin de document.

Cette thèse introduit le concept de comportement géométrique d'un assemblage mécanique. Cette notion permet de rendre compte du caractère assemblable ou mobile d'un mécanisme sous la forme d'un système de relations algébriques entre les paramètres géométriques permettant de le décrire. Dans un premier temps, cette thèse montre l'intérêt de ce concept pour traiter des problèmes faisant intervenir plusieurs effets physiques et plusieurs scénarios d'utilisation. Ce chapitre est appliqué à l'étude de l'assemblabilité d'un treillis pyramidal de conception à 4 barres décrit par un modèle géométrique non cartésien issu de la littérature. Dans un second temps, après avoir constaté le manque de modèles adaptés permettant de représenter des mécanismes mobiles, ce travail en propose un non cartésien. Il détaille aussi une méthode de mise en équation afin de traduire la mobilité d'un mécanisme. Une application de ce modèle et de la méthode est également faite. Elle permet de résoudre localement le problème de la mobilité d'un mécanisme de Bennett. Enfin, la dernière partie de ce travail expose une solution pour associer et comparer deux objets décrits par des représentations non cartésiennes. Cette technique est utile pour comparer deux états physiques du même objet utilisé dans différents scénarios pour assurer le suivi d'une exigence géométrique. Elle peut également être utilisée pour associer des objets réels et des objets idéalisés pour traiter des problèmes de tolérancement / This thesis introduces the concept of geometrical behavior of mechanical assembly. The geometrical behavior is constituted by a set of algebraic relations that translate the assemblability or mobility conditions of a product. It is expressed thanks to a specific geometrical model for the early phases of product design. Firstly, this work shows the interest of the geometrical behavior to tackle multi-physics problems at the early stages of product design. This part is illustrated on a ten bar pyramid subjected to mechanical and thermal strains. Secondly, this thesis proposes a coordinate free geometrical model dedicated to the representation of mobile mechanisms. This part also indicates a technique to express the mobility conditions of a loop as mathematical equations. An application of these model and technique is proposed to express the geometrical behavior of the Bennett mechanism. Finally, this work exposes a solution to associate and compare two objects described in the above-mentioned coordinate free model. This technique is useful to compare two states of the same object used under different operating conditions. It can also be used to associate ideal and real objects to tackle tolerancing issues.

De nos jours, les entreprises doivent faire face à une situation économique de plus en plus concurrentielle qui les oblige à développer de plus en plus rapidement des produits de plus en plus complexes. C’est dans ce contexte que sont apparus les systèmes mécatroniques, fruits de l’intégration de technologies issues de la mécanique, l’électronique, l’informatique et l’automatique. Ces systèmes mécatroniques sont particulièrement complexes à concevoir pour les bureaux d’étude en raison des niveaux d’intégration fonctionnelle et techniques, nécessitant une forte coordination entre les différents ingénieurs, de différentes disciplines. Il est par conséquent nécessaire de fournir aux concepteurs de nouveaux outils permettant de mieux concevoir, de manière plus efficace, des produits mécatroniques, optimisés tant du point de vue fonctionnel que performanciel. La thèse présentée dans ce mémoire vise à proposer aux concepteurs des outils permettant de concevoir des architectures mécatronique et de les optimiser, dans les phases amont du processus de conception (conception architecturale). Nous présentons dans un premier temps notre démarche de conception globale, comprenant quatre niveaux de conception et permettant, en détaillant progressivement les architectures mécatroniques dans les différents niveaux, de construire plusieurs architectures permettant de répondre à un besoin client, tout en satisfaisant aux normes et législations en vigueur. Dans un deuxième temps, nous proposons une démarche d’optimisation permettant d’employer des techniques d’optimisation combinatoire afin d’automatiser une partie du processus de conception architecturale, en particulier la phase visant à construire les architectures produits à partir d’un ensemble de principes de solution ou de solutions techniques. Nous montrons enfin dans un troisième temps l’application des étapes de notre démarche globale, ainsi que de notre démarche d’optimisation combinatoire, afin de résoudre un problème visant à développer une éolienne de moyenne puissance pour l’alimentation d’un gîte de montagne. / Nowadays, industries should face a more and more competitive economic situation that forces them to faster develop increasingly complex products. This is in this context that appeared mechatronic systems, the fruit of the integration of technologies from mechanical, electrical, computer and control engineering. These mechatronic systems are particularly complex to design for R&D designers as they require strong coordination between the engineers from different specialities to reach the required levels of functional and technical integration. It is therefore necessary to provide new design tools and approaches to better and more efficiently design mechatronic products and optimize their functionalities as well as their performance. The thesis presented in this manuscript aims to provide design approaches to the designers to design and optimize mechatronic architectures from the early design phases (embodiment design). We first present our global design approach, with four design levels to build and gradually detail mechatronic architectures to meet customer needs as well as the standards and legislation. Secondly, we propose an combinatorial optimization-based approach to computerize some parts of the architectural design process, especially the phase where architectures are built from a set solution of principles or technical solutions. We finally show how the design and optimization approaches have been applied to solve a design problem aiming to develop a medium power wind turbine for supplying a mountain cottage.

Le présent travail concerne le développement d'une méthode d'éco-conception pour la création de produits impliquant des indicateurs environnementaux pour l’aide à la prise de décision au stade de la conception conceptuelle. La méthode proposée s’appuie sur la définition et la génération d’un TRIPLET, c’est-à-dire une relation cohérente entre matériaux, procédés et formes. Une taxonomie de formes caractérise les différentes formes réalisables par les procédés de fabrication. Un tableau de description du concept (DCT) regroupe certaines dimensions globales de la pièce imaginée ainsi que les procédés d’enlèvement de matière de finition venant s’additionner au procédé de base sélectionné. Un indicateur environnemental basé sur la base RECIPE et adapté à la méthode peut être alors évalué. La démarche d’aide à la conception conçue intègre deux approches, déductive et inductive basées sur l'expérience du concepteur. Le DCT comprend le choix d’un solide de base qui suggère, à partir des surfaces fonctionnelles définies dans la démarche, une réflexion vers une esquisse du concept de pièce. Les différents concepts élaborés sont hiérarchisés à partir d’une aide à la décision multicritère basée sur l’indicateur environnemental, sur un coût de fabrication, sur un indice de performance et sur un indice de combinaison obtenu par logique floue. La démarche s’appuie sur une base de données lié aux connaissances requises et sur un outil logiciel « ECOTRIAL ». Une application de reconception d’une pièce de liaison clôt la thèse et montre l’applicabilité de la méthode proposée. / The development of an eco-design method to create products involving environmental indicators to aid decision making at the stage of conceptual design, can be found in the present work. The proposed method is based on the definition and generation of a TRIPLET: a consistent relationship between materials, processes and forms. A taxonomy of shapes characterizes different shapes achievable by the manufacturing processes. A Description of Concept (DCT) includes some overall dimensions of the piece conceived and the finishing and material removal processes. An environmental indicator based on RECIPE database and adapted to the method to be able to evaluate the environmental impact. The aid integrates two approaches, deductive and inductive based on the experience of the designer. The DCT includes choosing a solid base that suggests, based on the functional surfaces defined in the process, a reflection towards a sketch of the piece concept. The different concepts developed are ranked from a multiple-criteria decision analysis based on the environmental indicator, a manufacturing cost, a performance index and a combination index obtained by fuzzy logic. The process is supported on a database linked to the required knowledge and the software tool "ECOTRIAL". A redesign application concludes the thesis and demonstrates the applicability of the proposed method.

Dans cette thèse, nous proposons un cadre méthodologique en phase de conception préliminaire dans l'industrie automobile, afin de gérer le compromis entre, d'une part, les contraintes d'architecture auxquelles est soumis un sous-système mécanique, et d'autre part une contribution satisfaisante du sous-système à la minimisation du bruit dans l'habitacle véhicule. <br />La méthodologie proposée, nous permet d'engager des négociations entre les architectes de l'automobile et les ingénieurs mécaniciens sur le respect ou le non-respect de contraintes d'architecture d'un sous-système ou d'un organe, ainsi que sur l'atteinte des cibles du cahier des charges en ce qui concerne les performances vibro-acoustiques.<br />Le cadre méthodologique proposé se compose de cinq étapes : (1) la modélisation du problème de conception, comprenant (a) la modélisation des performances vibro-acoustiques et (b) la modélisation des contraintes d'architecture (2) la métamodélisation (approximation mathématique) du problème de conception résultant en utilisant les métamodèles de type kriging, (3) la formulation du problème de conception sous la forme d'un problème d'optimisation multi-objectifs, (4) la génération grâce au métamodèle de la frontière de Pareto de ce problème d'optimisation multi-objectif par la méthode des contraintes normales et normalisées, (5) une étape de négociation entre les contraintes d'architecture et les performances du sous-système mécanique.<br />Pour gérer le problème des contraintes d'architecture, dans la phase de conception préliminaire, nous introduisons une méthode pour exprimer, par un critère dit d'architecture, le respect ou le non-respect des contraintes géométriques. L'originalité de cette méthode consiste dans le fait de migrer l'étape de l'allocation de volumes enveloppes sous un système de CAO vers un système d'IAO plus accessible aux ingénieurs puisque c'est dans ce système qu'ils gèrent leurs modèles éléments finis.<br />Nous introduisons, en outre, une méthode d'agrégation des performances vibro-acoustiques d'un sous-système mécanique en un seul critère (indicateur) à valeur réelle. Cette technique permet une réduction efficace de la dimension importante d'un problème de conception lié à l'étude d'un sous-système mécanique avec des multiples performances vibro-acoustiques.<br />L'application de la méthodologie à un cas d'étude, dans le domaine automobile, a permis de démontrer son efficacité à améliorer sensiblement les performances vibro-acoustiques d'une caisse en blanc (caisse nue d'une automobile) tout en respectant des contraintes d'architecture serrées à cause d'un volume enveloppe alloué au groupe motopropulseur du véhicule.<br />Finalement, avec ce cadre méthodologique, les négociations entre les architectes et les ingénieurs ne sont plus fondées sur des jugements qualitatifs, mais elles sont à présent fondées sur des critères quantitatifs à la fois pour les contraintes d'architecture et les performances mécaniques.

La conception architecturale est souvent réalisée grâce aux habitudes professionnelles et à l'expérience des concepteurs, qui leur permettent d'identifier les paramètres de conception pertinents à prendre en compte pour commencer l'étude et de faire les choix qu'impliquent une démarche séquentielle de détermination d'architecture. Ces décisions sont difficiles à prendre car les concepteurs ne disposent pas forcément d'éléments suffisants pour comparer les différentes alternatives. Ainsi, ils procèdent souvent par essai-erreur, jusqu'à l'obtention d'une configuration opérationnelle, mais qui n'est pas nécessairement optimale. Ces itérations sont, de plus, coûteuses en temps.<br /><br />Nous proposons un système d'aide à la décision en conception préliminaire, permettant de partir de plusieurs concepts de solution pertinents, pour arriver à une architecture validée et prédimensionnée en objectivant les choix de conception. <br />Les grandes étapes sont : (i) l'écriture du problème de conception préliminaire sous forme de Problème par Satisfaction de Contraintes (PSC), (ii) la recherche exhaustive des architectures solutions, (iii) l'exploitation et la réduction de l'espace des solutions pour aider à la décision. C'est seulement ensuite qu'un choix est à faire parmi ces solutions, qui n'ont pas été arbitrairement restreintes par des choix initiaux.<br /><br />Les étapes (i) et (iii) nécessitent une analyse préalable du problème de conception. Il faut, d'une part, le limiter aux seules caractéristiques nécessaires et suffisantes pour la conception architecturale, que nous nommons caractéristiques structurantes. D'autre part, il faut exprimer les objectifs de conception et les critères de qualification de la conception, qui permettent de hiérarchiser les architectures-solutions obtenues et ainsi aider au choix final parmi elles.<br />Nous proposons pour cela une démarche systématique d'analyse et structuration du problème de conception, basée sur quatre étapes, depuis l'analyse du besoin jusqu'à une approche physique, en passant par des approches fonctionnelle et organique du produit à concevoir. Des tableaux systématiques sont proposés.<br /><br />Notre approche est confrontée avec la démarche 'classique' d'un groupe de concepteurs, pour une même conception architecturale. L'utilisation du système d'aide à la décision permet une amélioration de la satisfaction des objectifs de conception, le choix du concept de solution le plus performant, l'obtention d'architectures-solutions valides et respectant toutes les contraintes énoncées. On dispose ainsi d'éléments dimensionnels pour poursuivre en conception détaillée sans subir les itérations engendrées par le processus essai-erreur.

Les assemblages à base de fixations montées avec interférence et prétension sont largement utilisés dans le domaine de la construction aéronautique, notamment dans les zones structurales fortement chargées et soumises à des sollicitations de fatigue. Les performances de ces assemblages sont sensibles à de nombreux paramètres liés à la géométrie et aux matériaux mis en jeu. Pour optimiser la qualité de ces liaisons et atteindre les gains de durée de vie attendus, il est important de disposer de modèles à la fois rapides et fiables qui permettent, dès la phase de conception, d’évaluer l’influence des paramètres d’entrée sur les efforts caractéristiques de l’assemblage. Les travaux s’attachent, dans un premier temps, en s’appuyant sur une modélisation par éléments finis très détaillée du processus d’assemblage, à bien identifier les phénomènes mécaniques les plus caractéristiques des liaisons étudiées. Une approche analytique de premier niveau est ensuite développée. Elle conduit à un modèle d’estimation des efforts et de contraintes présentes dans les pièces assemblées qui produit des résultats très voisins de ceux obtenus avec le modèle de référence. Un modèle numérique dédié,basé sur des éléments finis axisymétriques et codé sous Matlab, est ensuite proposé. Il est apte à évaluer l’influence des variations des paramètres le long de l’interface entre les pièces tout en considérant les effets de bords. Une étude expérimentale basée sur une instrumentation de l’assemblage avec des fibres optiques à réseaux de Bragg est présentée. Les corrélations entre les résultats expérimentaux et ceux issus des modélisations sont très satisfaisantes / Assemblies based on interference fit fastener and preload are widely used in the fieldof aircraft construction, especially on structures heavily loaded and subjected to fatigue stresses.The performances of these assemblies are sensitive to many parameters related to the geometry and to the constitutive materials. To improve the quality of these assemblies and achieve the assembled parts. This simple model produces results very similar to those obtained with thereference model. A dedicated numerical model, based on axisymmetric finite elements and developed using Matlab code, is also proposed. It is able to evaluate the influence of parameter variations along the interface between the parts while considering the side effects. An experimental study based on an assembly instrumented with Fiber Bragg Gratings is presented.The correlations between the experimental results and those from the models are very satisfactory lifetime gains expected, it is important to use, from the early design phase, fast and reliable models in order to evaluate the influence of input parameters on the most significant efforts that take place around the fastener. In a preliminary phase, the work focuses on clearly identifyingthe mechanical phenomena characterizing the behavior of the mechanical connections understudy, using a very detailed finite element reference model of the assembly process. An analytical approach is then developed. It leads to a first level model for estimating loads and stresses in the assembled parts. This simple model produces results very similar to those obtained with the reference model. A dedicated numerical model, based on axisymmetric finite elements and developed using Matlab code, is also proposed. It is able to evaluate the influence of parameter variations along the interface between the parts while considering the side effects. An experimental study based on an assembly instrumented with Fiber Bragg Gratings is presented.The correlations between the experimental results and those from the models are very satisfactory